К 300-летию Российской академии наук

Наука о технологической и энергетической безопасности
в экстремальных условиях Севера и Арктики

Лепов В.В., д.т.н., акад. АН РС (Я)

Петров Н.А., д.т.н., проф., заслуженный энергетик РФ

Ларионов В.П., д.т.н., акад. АН РС (Я), акад. РАН

　

«Российское могущество прирастать будет Сибирью
и Северным океаном и достигнет до главных поселений
европейских в Азии и в Америке.» /М. Ломоносов, 1763 г./

Введение

Институт физико-технических проблем Севера Якутского филиала Сибирского отделения Академии наук СССР был создан в 1970 году по инициативе Черского Н.В. для решения первостепенных научно-технических задач, связанных с обеспечением работы транспорта, энергетики, строительства и горного производства в условиях Севера. Его начальный состав состоял из 100 сотрудников, из них 2 доктора и 15 кандидатов наук.

Первым директором ИФТПС назначен д.т.н., профессор Николай Сергеевич Иванов, основатель научной школы в области теплофизики и тепломассопереноса; заместителем директора по науке становится инженер-бауманец, к.т.н. Владимир Петрович Ларионов, работающий в группе хладостойкости при ЯФ СО АН СССР. Молодой институт быстро приобретает известность и уважение среди населения, особенно молодёжи и студентов. За счет чего же это произошло? Оказывается, ещё до момента образования ИФТПС будущие сотрудники планировали и обсуждали в прессе его направления работы, а сразу после создания — популяризировали результаты исследований, а также достижения науки и техники в целом. Несмотря на то, что это происходило более 50 лет назад, актуальность большей части затрагиваемых вопросов сохраняется и в настоящее время.

Популяризация науки в советской прессе

Например, первая статья д.т.н. Иванова Н.С. появляется в газете «Социалистическая Якутия» ещё до организации Института, 17 мая 1968 года, под названием «Север: проблема тепла и холода». В ней ставится актуальнейшая в настоящее время проблема разумного, эффективного расходования энергии, непроизводительных затрат тепла на Севере, что представляет собой важнейшую народнохозяйственную и научно-техническую задачу, поскольку производство горных и строительных работ осложняется мерзлотой глубиной до 500-1000 м, и весьма незначительным летним протаиванием, что также препятствует развитию сельского хозяйства. Впервые ставится проблема подбора теплоизоляционных материалов для управления теплообменом.

В конце концов, Иванов Н.С. приходит к выводу, что для решения ряда материаловедческих и теплофизических вопросов, теоретических и практических задач необходимо объединение физиков, химиков, механиков, строителей, горняков, энергетиков, транспортников для создания специализированного исследовательского учреждения, которое будет решать всю совокупность задач, связанных с проблемами «тепла и холода» в условиях Севера. Необходимо отметить, что при Якутском филиале уже с 1962 года существовала группа хладостойких машин, руководимая выпускником МВТУ им. Н.Э. Баумана Яковлевым П.Г. В 1968 она преобразуется в отдел хладостойкости, включающий специалистов Кузьминова М.А., Новикова Г.А., Говорова И.И., Григорьева Р.С., Быкова И.К., и второго «бауманца» — Ларионова В.П.

И вот 13 сентября 1969 также в газете «Соц. Якутия» печатается материал «Рождение института», где дана информация о принятом в Сибирском отделении АН СССР решении по созданию в Якутской АССР Института физико-технических проблем Севера, его планах в области горного дела, ближайших задачах и имеющихся проблемах. Автором статьи является к.т.н. В. Куренчанин, сотрудник ЯФ СО АН СССР. В статье обращается внимание на огромное число нерешённых проблем технического характера, для решения которых в структуре института создан ряд теоретических отделов с физической и математической тематикой исследований, а также горный, строительства, энергетики, транспорта, хладостойкости и других для инженерных задач.

Первая заметка д.т.н. Николая Сергеевича Иванова в качестве директора ИФТПС ЯФ СО АН СССР появляется в газете «Социалистическая Якутия» 11 апреля 1970 года. В ней он пишет о том, что в далёкой Якутии, когда-то самом отсталом крае царской России, действует полноценный филиал Академии наук Советского Союза с пятью институтами, в которых работают 327 научных сотрудников, включая 10 докторов и 126 кандидатов наук. Институт физико-технических проблем Севера, в частности, работает над повышением надёжности машин, научным обоснованием принципов формирования структуры топливно-энергетического баланса, занимается исследованием заземления линий электропередач, пылеподавления при добыче полезных ископаемых, проблемой смерзаемости насыпных грунтов, освоением месторождений природного газа в твердой фазе, и другими задачами. Остро стоит проблема хладноломкости машин, потери от поломок только за год составили 19 миллионов тонно-километров, а научный отдел хладостойкости машин является единственным в стране подразделением, тематика которого целиком посвящена вопросам повышения работоспособности машин в условиях низких температур.

В последние годы область деятельности Института расширилась, и включает проведение научных исследований и разработок в области механики, прочности и разрушения, физикохимии и технологии создания материалов, целостности, надежности и ресурса конструкций и технических систем, теплофизики и теплообмена, а также физико-технических проблем энергетики, способствующих наиболее успешному развитию Арктического региона, Северо-Востока и Российской Федерации в целом. Таким образом, предметом деятельности Института является проведение исследований и разработок в области физико-технических проблем материаловедения, технологий и энергетики Севера, гидрометеорологии, включая следующие направления:

- физика прочности и механика деформируемого твердого тела, физико-технические проблемы материаловедения низких температур;

- физикохимия технологии материалов, включая проблемы нанотехнологии и наноматериалов для холодного климата;

- развитие и функционирование энергетических систем и комплексов, экология, безопасность и энергоресурсосбережение в условиях Севера;

- проблемы теплообмена, теплофизические свойства вещества, в том числе в экстремальных состояниях;

- технология создания неразъемных соединений, ремонта и восстановления металлоконструкций, эксплуатирующихся в условиях очень холодного климата, а также родственные технологии, включая металлургию;

- природно-техногенная безопасность эксплуатации сложных технических систем на основе ГИС-технологий, гидрометеорология, и смежные с ней области.

История научных достижений

За полвека работы многие проблемы Севера были решены, опубликованы теоретические работы и результаты экспериментов, многие разработки запатентованы и внедрены в производство. Но ряд задач, поставленных тогда впервые, всё ещё стоит на повестке дня.

Первое интервью д.т.н. Иванова Н.С. в качестве директора института начинается с вопроса о том, зачем создан новый институт. На его столе лежит книга «Строительство на вечномерзлых грунтах», а рассказ начинается о будущем Якутии, необходимости победы над холодом. В частности, идёт речь об инфракрасных источниках тепла для обогрева людей на остановках, сборном домостроении для улучшения условий работы на открытом воздухе, замене печей и газа в домах электричеством для повышения чистоты воздуха, привлечения для перевозок на Севере транспорта на воздушных подушках. Как видим, часть этих идей воплотилась в жизнь только в последние десятилетия.

Проблемы хладноломкости материалов и связанной с ней низкой надёжностью горных машин, эксплуатируемых на Севере, в настоящее время практически сняты. Ларионову В.П. в коллективе авторов в 1986 г. присуждена Премия Совета Министров СССР за разработку и внедрение прогрессивных сварочных процессов монтажа и ремонта крупногабаритных сварных конструкций в условиях холодного климата, а в 2004 году — Премия Правительства Российской Федерации по науке и технике за разработку сталей нового поколения с использованием природно-легированных руд Халиловского месторождения для ответственных металлоконструкций в мостостроении, строительстве, машиностроении, и внедрение комплексной технологии в производство. Проведены также работы для зарубежных поставщиков оборудования, в основном это европейские производители, и японская «Коматцу».

Также полвека назад уделялось внимание новым технологиям строительства с использованием льда, борьбе с обледенением конструкций, смерзаемостью сыпучих материалов, энергетике Севера. Впервые был поставлен вопрос о научном заделе, создаваемом в стенах будущего института — это наработки в области физики твердого тела, особенностях разрушения металлов при низких температурах, физических и математических моделях процессов в вечномерзлых грунтах, теория теплопередачи в новых конструкционных материалах.

На страницах прессы ещё с 70-х годов прошлого столетия обсуждалась проблема разрушения свайных фундаментов из-за возникновения температурных напряжений под действием резких колебаний температуры, особенно суточных, достигающих 30 градусов. Сначала из-за возникновения напряжений между охлажденными и прогревшимися слоями бетона возникают малозаметные трещины, затем в них попадает влага и агрессивные соли. При замерзании влаги по механизму, сходному с физическим выветриванием, бетон начинает разрушаться, осыпаться, образуется так называемая шейка, и свая в конце концов не выдерживает веса тяжёлого здания. Во избежание таких процессов предлагалась защита поверхности утеплителем в виде двухсантиметрового слоя твердеющей пены, с целью гашения температурных колебаний суточной амплитуды, и исключить возникновение значительных температурных напряжений. Сейчас такие материалы в виде монтажной пены могут применяться повсеместно.

Суть научного подхода состоит в том, что разработанная теория может быть общей для множества практических вопросов, имеющих сходную фундаментальную природу, что позволяет одним выстрелом убить множество «зайцев». Поэтому с самого начала в институте большое внимание уделяется комплексированию теоретических и экспериментальных исследований. Физические и математические методы дополняют друг друга, например, в разработке и внедрении новой технологии электросварки при низких температурах, методов повышения прочности, трещиностойкости и износостойкости материалов и покрытий, оценки и продления ресурса металлоконструкций и машин, теплофизики бетонов и мёрзлых грунтов, износостойкости покрытий. Так наука становится реальной производительной силой общества.

Работа по созданию научного задела в рамках научных школ, представленных основными направлениями исследований Института, продолжается и в настоящее время. Интересным в научном подходе представляется то, что он позволяет планировать будущее, давать оценку перспектив развития того или иного направления.

Раньше такие оценки производились в ключе марксистко-ленинского учения, когда наука в мире становится непосредственной производительной силой. Именно в этом учении предсказывался отказ от живого труда, что приведёт к взрывному развитию промышленности и освобождению человека от рутинной работы для творчества и науки, анализа научной информации и создания совершенно нового знания.

Из многочисленных прогнозов советского времени многое не было реализовано, например, создание воздушного транспорта, способного перевозить тысячи людей со скоростью 12 тыс. км в час и более. Востребованность таких путешествий оказалась невелика, а создание и эксплуатация огромных воздушных кораблей экономически не оправдана. Однако в последние годы интерес к сверхзвуковым средствам передвижения вновь возрос. Прогнозы касались кибернетики и вычислительной техники, роста мощности и взаимосвязанности энергетических систем, автоматизации и механизации производства во всех отраслях народного хозяйства. Можно сказать, что эти прогнозы в полной мере осуществляются только сейчас. Актуальным остаётся освоение природных богатств в условиях сурового климата, на арктическом побережье. Но оно должно учитывать бережное отношение человека к природе в условиях глобального изменения климата.

Актуальную и сегодня проблему заземления электроустановок в своей заметке затрагивал М. Якушев, инженер-электрик Института (СЯ №134, 12.06.1970). Эффективность заземляющего устройства зависит от свойств и состояния земли, её способности проводить ток. При этом мёрзлая земля, оказывается, очень плохо проводит электричество, поэтому эффективны выносные заземляющие устройства на дне незамерзающих водоёмов, а полосовые поверхностные и местные заземления с электродами глубиной 2-2,5 метра оправдывают себя только в теплый период года. В качестве естественных заземлителей советуют использовать металлические водопроводы, проложенные в земле, железобетонные конструкции и кабели, имеющие надёжное соединение с землей.

Многолетние исследования в ИФТПС показали, что правильное заземление учитывает электропроводность грунтов и позволяет снизить коррозию трубопроводов, опасность возникновения в них сильных токов при грозах и электромагнитных бурях.

1972 годом датируется статья в газете «Социалистическая Якутия» ученого секретаря Сибирского энергетического института (СИЭ) Иркутского научного центра СО РАН, к.т.н. А. Кошелева «Энергетика Севера сегодня и завтра». В ней освещен доклад заведующего отделом энергетики ИФТПС к.э.н. Г.М. Чудинова, прозвучавший на Ученом Совете СИЭ. Энергетика Якутии обеспечивала работу в трех основных направлениях — создание и развитие промышленных центров освоения природных богатств, повышение производительности труда путём механизации и автоматизации, и создание комфортных условий для жизни человека. В настоящее время основными источниками тепла и электричества в Якутии являются газ и гидроэнергия, хотя на местах могут использоваться также уголь и нефть (мазут). Требуют особого учёта водные ресурсы, которыми занимается специальная лаборатория. Отдел энергетики занимается и оценкой перспектив развития той или иной энергетической отрасли Якутии, а также работает над задачей объединения районных энергосистем в республиканскую, и обеспечение её консолидации с энергетическим кольцом Сибири, которое войдёт северным звеном в энергетическую систему СССР. Нужно сказать, что завершить этот проект удаётся только в наши дни, и предстоит ещё много работы по его интеллектуальному обеспечению.

6 марта 1974 г. в Якутске на базе Института организуется Всесоюзное научно-техническое совещание по проблемам энергетики Крайнего Севера, которое широко обсуждается в прессе. Так, в заметке газеты «Социалистическая Якутия» от 07.08.1974 г. отмечается, что гостями и участниками конференции стали директор СЭИ, д.т.н. Ю.Н. Руденко, акад. Л.А. Мелентьев, д.э.н. А.А. Макаров, акад. ВАСХНИЛ И.А. Будако, и сотрудники отдела энергетики ИФТПС. Доклады были посвящены актуальным вопросам энергоснабжения на базе ядерных источников энергии, гидроэнергостроительства, энергетики сельского хозяйства в районах Крайнего Севера.

Буквально перед самым совещанием в газете появляется заметка о том, что в ИФТПС при -50°С проведены разрушающие испытания сварных сосудов из хладостойкой стали, предназначенных для хранения нефтепродуктов, подтверждающие надежность резервуаров. Так в 1974 году в ИФТПС СО РАН трудились над повышением хладостойкости машин и конструкций, анализировали данные по отказам техники в условиях низких температур, были подготовлены «Альбом хрупких разрушений» и по определению напряжений в металлоконструкциях и сооружениях, а также выполнен ряд работ для горнодобывающей отрасли. Учёные выступали на многочисленных конференциях в городах СССР и странах мира, получали патенты на изобретения, публиковали многочисленные монографии и статьи. Но никто не работал на результативность, — главным был результат!

Вызывает интерес заметка д.т.н., зав. отделом Института В. Ушкалова, озаглавленная «’Висячие замки’ или дома на песке» (СЯ от 21.01.1972). В ней поднимается актуальный и в наше время вопрос о надежности домов на сваях. Уже тогда, 48 лет назад, имелся 15-20-летний опыт эксплуатации свайных фундаментов, которые показал, что требуется взвешенный, продуманный подход. Нерациональные решения в вертикальной планировке вызывают понижение строительной площадки, заболачивание, скапливание вокруг свай засоленных агрессивных вод, быстро разрушающих бетон и арматуру свай. Таким образом, уже тогда обращалось внимание на этажность, необходимость сохранения при строительстве и на весь период эксплуатации мёрзлого, жесткого состояния грунтов, не допуская пластической осадки зданий.

С 1973 по 1979 годы директором института становится член-корр. РАН, д.т.н. Н.В. Черский. Он концентрируется на организационной работе, в частности, привлекает к обсуждению проблем Севера широкую научную общественность на конференциях различного уровня.

Ключевым событием для института и Республики в целом можно назвать Всесоюзную конференцию «Разрушение металлов и сварных конструкций при низких температурах» с участием ГКНТ СССР. Информация о ней широко освещалась в газетах («За науку в Сибири» за июнь 1978; СЯ от 16.06.1978). Конференция собрала более 150 ведущих специалистов в области механики и физики разрушения, представителей крупнейших проектно-конструкторских организаций и научно-производственных объединений. На пленарном заседании, открытом председателем конференции член-корр. АН СССР Н.В. Черским, выступил академик АН УССР Б.Н. Веркин, был заслушан совместный доклад ИМАШ АН СССР и ИФТПС ЯНЦ СО РАН «Основные направления и перспективы исследований в области разрушения металлов и сварных конструкций при климатически низких температурах». В тот же день прозвучали доклады ГКНТ СССР, институтов АН УССР, а на следующий день на секциях «Механика и физика разрушений», «Хладостойкость сварных соединений», «Работоспособность техники в условиях низких температур» заслушиваются десятки докладов специалистов со всех концов страны.

В первой публикации на страницах прессы молодого заместителя директора ИФТПС к.т.н. Ларионова В.П. «Молодёжь в научном поиске» (СЯ от 16.11.1979) отмечается труд ряда сотрудников, включая молодёжь до 33 лет, по снижению потерь из-за простоя техники, обусловленного неблагоприятными условиями Севера, повышению эффективности добычи природных ресурсов. Впервые поднимается актуальнейший в настоящее время вопрос трудового воспитания, профессионального роста, организации молодёжных творческих коллективов, организации конференций молодых ученых и специалистов, профессиональному обучению в университете.

В период руководства Институтом академика Н.В. Черского решается ряд ключевых проблем, связанных с расчетом норм запасных частей автомобилей в условиях низких температур районов Севера, хладостойкостью сталей, конструкций и деталей машин [1-2] (премия комсомола Якутии к.т.н. Р.С. Григорьеву в 1975 г.), повышения прочности металлоконструкций, работающих в условиях Крайнего Севера [3] (премия комсомола Якутии к.т.н. В.П. Гуляеву в 1976 г.). Решаются, в том числе, проблемы разрушения кузовов и осей мотор-колёс большегрузных самосвалов импортного производства, эксплуатируемых на карьерах («Коматцу» и других).

В 1979 году ИФТПС возглавляет член-корр. АН Латвийской ССР, д.т.н. Ю.С. Уржумцев. Инициируется ряд актуальных работ, связанных с работоспособностью в условиях Севера полимерных материалов, развивается трибология низких температур. В 1980 году Николай Васильевич Черский организует в Якутске Институт горного дела Севера и становится его директором.

Больших успехов добивается отдел хладостойкости института, где исследуется природа образования в низколегированных сталях холодных трещин и разрабатываются технологии сварки при низких температурах, требующие обширной экспериментальной апробации и современных материаловедческих подходов [4] (Премия Ленинского комсомола в области науки и техники к.т.н. Слепцову О.И. в 1984 г.).

В 1986 году директором института становится д.т.н. Ларионов В.П. В этом же году группа сотрудников Института отмечена золотыми медалями Международной Лейпцигской ярмарки и ВДНХ СССР за разработку хладостойкого и износостойкого сплава ИСЦ-1. Во время пребывания Ларионова В.П. на посту директора Института общая численность работников достигла 440 человек, включая 11 докторов и 79 кандидатов наук в 6 научных отделах, научно-испытательном центре «Север» и 5 научно-вспомогательных подразделениях.

На новый уровень выходят исследования хладостойкости металлов, элементов металлоконструкций, их сварных соединений. Этими проблемами занимается лаборатория сварки, возглавляемая доктором наук В.П. Ларионовым [5-7].

Однако немаловажное значение имели и работы по решению энергетических проблем республики. Лаборатория общей энергетики ИФТПС, возглавляемая к.т.н. Н.А. Петровым, разрабатывает «Целевую комплексную программу по экономии и повышению эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в народном хозяйстве республики в 11-й пятилетке и на период до 1990 года» («Наука в Сибири» №50 от 29.12.1983). Намечены основные направления повышения эффективности использования ресурсов, — снижение уровня экономически оправданных потерь, повышение эффективности добычи и переработки первичных ресурсов .

В 1990 году д.т.н. Игорем Николаевичем Черским при поддержке Ларионова В.П. на базе отдела полимеров ИФТПС создаётся Институт неметаллических материалов (ИНМ), который вошёл в Объединенный институт физико-технических проблем Севера. В том же году директор Института В.П. Ларионов избирается членом-корреспондентом Академии наук СССР.

В 1990-е годы, несмотря снижение финансирования и потерю большого числа квалифицированных остепененных специалистов в связи с «утечкой мозгов» за рубеж, Ларионову В.П. удалось сохранить направления исследований в институте и даже обосновать создание новых. В частности, получают развитие методы моделирования напряженно-деформированного состояния и физико-химических процессов при технологических процессах, а также развивается механика разрушения материалов при переходе их в хрупкое состояние.

Значительный вклад в разработку новых расчетных методов оценки хладостойкости машин и конструкций внесли профессора Кузьмин В.Р., Гуляев В.П., член-корр. РАН Новопашин М.Д., к.т.н. Егоров Ю.И. [3-15,21]. Новые расчетно-экспериментальные подходы к оценке хладостойкости крупногабаритных тонкостенных конструкций на основе натурных испытаний предложены талантливым механиком, проф. Лыглаевым А.В. [8], работающим в тесном сотрудничестве с Московским Институтом машиноведения РАН. Профессором Аммосовым А.П., крупным специалистом по термокинетическим и термодеформационным процессам сварки, ставятся на новый уровень работы по диагностике сварных конструкций, мониторингу линейных сооружений в криолитозоне [6]. В последующем это позволит создать научные школы по технологической безопасности техники Севера.

Необходимость решения ряда насущных вопросов, связанных с безопасностью создаваемых и уже используемых сложных технических систем, включая энергетические комплексы и протяженные транспортные системы, в том числе эксплуатируемые в экстремальных климатических условиях Севера и Арктики [16,18-20], привела к обоснованию универсального системно-структурного подхода к созданию новых материалов и систем, в том числе предназначенных для экстремальных условий эксплуатации [15,17,22,23].

Последние 30 лет в ИФТПС СО РАН развивается концепция многоуровневого и многомасштабного моделирования для описания задач симуляции механического поведения по данным эксперимента на различных структурных уровнях, не прибегая к сложным конститутивным моделям [15,23,24]. На основе теории хаоса и системно-структурного подхода был разработан метод связывания пространственных и временных шкал. Многоуровневый подход позволяет обосновать иерархию моделей, облегчающих анализ и разработку новых материалов, наименее подверженных действию неблагоприятных факторов окружающей среды, а также позволяющим, насколько это возможно, обеспечить целостность и ресурс, работоспособность и безопасность технических систем в условиях глобального изменения климата и возрастания роли человеческого фактора.

Международные связи

В 1995 году создается лаборатория физикохимии и механики материалов, которая в дальнейшем станет основой отдела моделирования процессов разрушения и накопления повреждений, исследования фундаментальных основ вязко-хрупкого перехода. Поддерживаются связи с институтами Украины, как уже отдельной страны, развиваются международные связи с Германией и Китаем, Японией и Южной Кореей. Внутри СНГ крепнет сотрудничество с институтами и университетами: Новосибирска (НГУ, ИТПМ СО РАН, ИГиЛ СО РАН, ИГМ СО РАН и др.), Томска (ИФПМ СО РАН), Москвы (МВТУ, ВИАМ, МГУ, МИСИС, МАИ, МЭИ, МАДИ, ИМАШ РАН, ИМЕТ РАН, ИПМех РАН), Екатеринбурга (ИМАШ УрО РАН), Уфы (ИПСМ РАН, ИАТМ УГАТУ), Иркутска (ИСЭМ СО РАН), Санкт-Петербурга (СПбНИАУ РАН, СПбГТУ), Минска и других городов. Руководители и ведущие ученые этих организаций неоднократно приезжали в Якутск, участвовали в заседаниях и круглых столах, организуемых уже академиком В.П. Ларионовым.

В 1996 году заведующему отделом энергетики, доктору технических наук Н.А Петрову присваивается звание «Заслуженный энергетик Российской Федерации», а в 1997 году директор Института В.П. Ларионов избирается действительным членом РАН и награждается орденом «За заслуги перед отечеством» IV степени. В том же году заведующей лабораторией плазменных технологий, доктору технических наук Н.П. Болотиной присуждается Государственная стипендия Президиума РАН за получение износостойких покрытий плазменным и газотермическим напылением.

В 1998 году научный сотрудник отдела энергетики Cеменов А.П. выиграл грант, по условиям которого была проведена годичная стажировка в университете штата Канзас, США, а также двухмесячная стажировка в Федеральной коммуникационной комиссии. По результатам стажировки была выпущена статья в журнале «Наука и образование» «Естественные монополии. Методика определения». Также зав. лабораторией физикохимии и механики материалов, к.т.н. Лепов В.В. выиграл конкурс Швейцарской академии технических наук для молодых учёных стран СНГ и в 1998-99 гг. проходил стажировку в технологическом федеральном институте Лозанны (EPFL). Результаты исследований опубликованы в ряде монографий и статей в центральных журналах [15,17]. В дальнейшем это вылилось в сотрудничество ИФТПС СО РАН с Московским институтом электронной техники (МИЭТ), и ознаменовалось победой Института в конкурсе проектов по Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по направлению «Нанотехнологии и наноматериалы». При выполнении работ, в которых участвовали отделы хладостойкости, разрабатывалась и испытывалась серия всесезонных конструкционных элементов и инструментов повышенной прочности из наноструктурированных сталей для нефте- газо- трубопроводного, железнодорожного транспорта, техники и оборудования, предназначенных для эксплуатации в условиях Севера, и совместно с МИЭТ разработан разрывной сканирующий электронный микроскоп. При личном содействии В.П. Ларионова с 2000 года появилась возможность участия в Программе фундаментальных исследований Президиума РАН (координаторы академики Алфёров Ж.И., Алфимов М.В., Тартаковский В.А., Горячева И.Г. и др.) и специализированных отделений РАН (координаторы акад. Панин В.Е., проф. Гольдштейн Р.В., акад. Шокин Ю.И. и др.). Каждый год результаты работ по этим проектам входили в «золотой» фонд важнейших результатов СО РАН и ОУС-ов РАН.

В октябре 2019 года институт провёл первую Международную конференцию «Целостность и ресурс в экстремальных условиях» (ILEE-2019), труды которой изданы в специальном выпуске журнала Европейского общества структурной целостности (ESIS) Procedia Structural Integrity, индексируемого в международных базах данных Scopus и Web of Sciences [25]. В сентябре 2020 года в Якутске прошёл IX Евразийский Симпозиум по проблемам прочности и ресурса машин и конструкций в условиях очень холодного климата (EURASTRENCOLD-2020), посвященный 50-летию ИФТПС СО РАН [26], в рамках которого состоялась Международная конференция «Сварка в России — 2020»[15]. В 2021 году в ИФТПС СО РАН состоялась традиционная Всероссийская научно-практическая конференции с международным участием «Актуальные вопросы теплофизики, энергетики и гидрогазодинамики в Арктических и Субарктических территориях», посвященная 85-летию проф. Бондарева Э.А. [27]. Х-XI Евразийские Симпозиумы по проблемам прочности и ресурса в условиях климатически низких температур, посвященные соответственно 100-летию ЯАССР и предстоящему 300-летию РАН, и 85-летию академика В.П. Ларионова, прошли в 2022-23 гг.

По итогам 2022 года учёные ИФТПС СО РАН получили ряд наград Правительства РС(Я), включая Государственную премию по науке и технике и Госсобрания «Ил-Тумэн» им. В.П. Ларионова для молодых учёных, Благодарность Министерства науки и высшего образования РФ.

Заключение

Вопрос освоения Севера и Арктики стоит также остро, — нужны новые корпуса исследовательских институтов, экспериментальных заводов, испытательных баз. Нужны жилые корпуса для сотрудников. А может быть, в коренном пересмотре нуждается вся инфраструктура, принципы её построения на Севере в условиях криолитозоны? Требуется обсуждение на уровне региона и страны, и принятие соответствующего обоснованного решения. Поэтому так актуально проведение Всероссийских и Международных конференций, где обсуждается широкий спектр вопросов и принимаются авторитетные решения, доносимые до руководства страны и региона, за выполнением которых должен быть установлен контроль. Это традиция продолжается в ИФТПС СО РАН со времен академиков Н.В. Черского и В.П. Ларионова.

Сейчас можно сказать, что прогресс в различных сферах науки за последние 50 лет оказался неоднороден. Особенно ускоренными темпами развивалась вычислительная техника, IT-индустрия. Относительно узкая направленность усилий, достижения в квантовой теории, привели к феноменальным результатам в электронной полупроводниковой промышленности, индустрии компьютеров и смартфонов. Однако намного более скромными успехами ознаменовались достижения в области человеческого сознания, исследования ментальных процессов, в том числе человеко-машинных систем, материаловедении, транспорте, энергетике. Слишком обширной оказалась эта область, многочисленными теории и их приложения. Поэтому, наверное, число техногенных катастроф продолжает увеличиваться, сварка осуществляется в основном вручную или полуавтоматами, а опасные производственные процессы до сих пор контролируются человеком. С таким положением нельзя мириться, требуется новый интегрированный подход, и идеи ускорения технического прогресса на основе прорывных технологий начинают набирать силу. В настоящее время рядом развитых стран (Германия, Япония и др.) разработаны и осуществляются программы Индустрия 4.0-5.0 и Общество 5.0, направленные на цифровизацию различных отраслей промышленности, технологическое её преобразование с использованием достижений IT-отрасли. Возможен эволюционный либо революционный путь развития.

Ещё один вывод, который можно сделать из исторического обзора — наука вновь должна превратиться в непосредственную производительную силу общества, перейти из сферы услуг в область промышленного производства.

На основе достижений и возможностей института можно определить, каким путём следует идти Республике Саха (Якутия), поскольку развитие науки всегда было связано с достижениями как внутри страны, так и мире. Например, развитие технологий сварки при низких температурах происходило посредством тесного сотрудничества с Институтом электросварки им. Е.О. Патона НАН УССР. Исследовались процессы образования холодных трещин, замедленного разрушения металлоконструкций, вызванные попаданием в зону сварного соединения нежелательных элементов, — таких как фосфор, сера, водород, — вызывающих охрупчивание, повышающих хладноломкость сталей и смещающих диапазон вязко-хрупкого перехода в сторону положительных температур. Исследование особенностей низкотемпературного вязко-хрупкого перехода, повышение хладостойкости сталей и металлоконструкций заслуживали особого внимания механиков-прочнистов. Были образованы отделы, занимающиеся механикой разрушения, безопасностью эксплуатации конструкций и сооружений в зоне холодного климата. Сотрудничество в этом направлении велось с Институтом гидродинамики им. М.А. Лаврентьева (ИГиЛ) СО РАН в Новосибирске, Институтом машиноведения им. А.А. Благонравова (ИМАШ) РАН в Москве.

В то же самое время проводилась диагностика разрушений металлоконструкций, определялись причины и пути устранения аварий на протяженных линейных объектах, сложных сооружениях, совершенствовались методы их диагностики и мониторинга. Этим занимались отделы материаловедения и теплофизики. Объектом пристального внимания теплофизиков были фундаменты зданий и сооружений, построенные на многолетней мерзлоте, способы сохранения теплового режима как внутри них, так и снаружи. Перспективные результаты были получены при изучении поведения гетерогенных сред, включающих мерзлые грунты. Многие направления исследований велись совместно с Институтом теплофизики им. С.С. Кутателадзе (ИТ) СО РАН, Институтом мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН.

К проблемам материаловедения при низких температурах, получившего с легкой руки Ларионова В.П. наименование «северное материаловедение», привлекались институты физики прочности и материаловедения (ИФПМ) СО РАН из Томска, металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова (ИМЕТ) РАН из Москвы, Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ), Уфимского института авиационных материалов и технологий, Институтов Хабаровского НЦ СО РАН. В настоящее время с этими организациями установлены долговременные научные связи.

В последнее время прогресс в сварочных технологиях сосредоточился на применении адаптивной импульсно-дуговой сварки и наплавки, развиваемой в ИФПМ СО РАН. Оказалось, что эффективность процесса сварки и свойства получаемых соединений можно повысить, управляя процессом каплеобразования кратковременными миллисекундными импульсами. Для этого применяют специальные инверторные источники питания, которые были испытаны в условиях холода Якутии, и доработаны согласно рекомендациям якутских учёных производителями. Сейчас они доступны для приобретения и использования всеми желающими. Так научные достижения и разработки доходят до массового потребителя, облегчают жизнь жителей холодных регионов.

Другие разработки ещё ждут своего промышленного внедрения — это хладостойкие стали и сплавы, технологии сварки и наплавки, а также износостойкие газотермические покрытия со специальными тугоплавкими и редкоземельными добавками из природно-легированных руд месторождений Якутии. Получаемые износостойкие покрытия разрабатывались совместно с учёными из Комсомольска-на-Амуре, и демонстрируют целый комплекс уникальных для холодного климата свойств. Перспективными представляются материалы, получаемые интенсивной пластической деформацией, в частности РКУП, винтовой экструзией, электропластическим эффектом (исследования ведутся совместно с Уфимским университетом науки и технологий, ИМЕТ РАН). Кроме повышения прочности, только за счет управления структурой удаётся повысить хладостойкость и износостойкость сталей и сплавов. Промышленное применение таких практических разработок позволило бы решить проблемы завоза запчастей для северной техники, недостатка качественных хладостойких и высокопрочных материалов.

Однако гораздо более важными для будущего науки и производства, технического прогресса в целом, представляются теоретические разработки, или открытия, обосновывающие целый комплекс мероприятий, способствующих решению какой-либо научно-технической задачи, позволяющие разработать новые технологии, обеспечивающие прорыв, научно-техническую революцию в какой-либо области. Таким открытием в своё время было обнаружение явления образования в земной коре газогидратных залежей, «сухого газа» (акад. Н.В. Черский с соавторами). Теперь это отдельное направление не только науки, но и нефтегазовых разработок в целом.

Прорывом можно назвать и открытие физической природы низкотемпературного вязко-хрупкого перехода в сталях и сплавах, к которому вплотную подошли учёные. Экспериментально и теоретически обоснован дислокационно-фононный механизм низкотемпературного вязкохрупкого перехода в сталях и сплавах [28-29]. Хрупкое разрушение при этом обусловлено взаимодействием флуктуаций кристаллической решётки на дефектах в виде неметаллических включений, микропор и микротрещин, а ответственным за разрыв связей становится неупругое рассеяние фононов и внешние напряжения, а также активная коррозия. В случае построения общей теории можно будет добиться создания материалов с внутренней структурой и комплексом свойств материалов, обеспечивающих уникальные технологические возможности и пригодных для работы в самых экстремальных условиях окружающей среды.

Рис.1. В разные периоды Институт возглавляли известные ученые, - доктора технических наук, академики и профессора.

Рис.2. Выездная сессия I Евразийского Симпозиума по проблемам прочности материалов и техники в условиях низких температур (июль 2002 г.)

Рис.3. Совместный семинар с коллегами из Японии, июнь 2020 г.

Рис.4. Открытие IX Евразийского Симпозиума по проблемам прочности и ресурса в условиях климатически низких температур, посвящённого 50-летию ИФТПС СО РАН (сентябрь 2020 г.)

Рис.5. Выездная сессия Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Актуальные вопросы теплофизики, энергетики и гидрогазодинамики в Арктических и Субарктических территориях», посвященная 85-летию проф. Бондарева Э.А. (июль 2021 г.)

Рис.6. EURASTRENCOLD-2022: Х Евразийский симпозиум по проблемам прочности и ресурса в условиях климатически низких температур, посвященный 100-летию ЯАССР и предстоящему 300-летию РАН

Рис.7. Иерархическая схема моделирования разрушения по механизму роста трещины на основе многоуровневого численного моделирования : а) КЭ-моделирование напряженно-деформированного состояния элемента конструкции (~0.1 м), б) КЭ-моделирование магистральной трещины на макроуровне (алгоритм Smart Crack на ANSYS, ~0.01 м); в) стохастическое моделирование роста в вершине трещины на мезоуровне (~0.1 мм); и г) стохастическое моделирование слияния пор на микроуровне (~1÷10 мкм).

Список литературы

1. Ларионов В.П., Григорьев Р.С., Стебаков И.М. Влияние усталости на хладостойкость сварных соединений. АН СССР, Сиб. отд-ние, Якутский фил., Ин-т физ.-техн. проблем Севера. — Якутск: Кн. изд-во, 1976. — 135 с.
2. Ларионов В.П., Ковальчук В.А. Хладостойкость и износ деталей машин и сварных соединений / Отв. ред. чл.-кор. АН СССР Н.В. Черский; АН СССР, Сиб. отд-ние, Якут. филиал, Ин-т физ.-техн. проблем Севера. — Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1976. — 206 с.
3. Гуляев В.П., Кошелев П.Ф., Лыглаев А.В. Перспективные методы исследования хрупкого разрушения металлов / Отв. ред. канд. техн. наук А.Г. Козлов; АН СССР, Сиб. отд-ние, Якут. филиал, Ин-т физ.-техн. проблем Севера. — Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1977. — 126 с.
4. Слепцов О.И. Технологическая прочность сварных соединений при низких температурах / Отв. ред. В. П. Ларионов. — Новосибирск: Наука: Сиб. отд-ние, 1984. — 102 с.
5. Ларионов В.П. Электродуговая сварка конструкций в северном исполнении / Отв. ред. Б. С. Касаткин; АН СССР, Сиб. отд-ние, Якут. фил., Ин-т физ.-техн. пробл. Севера. — Новосибирск: Наука : Сиб. отд-ние, 1986. — 253 с.
6. Аммосов А.П. Термодеформационные процессы и разрушение сварных соединений. ИФТПС ЯФ СО АН СССР. — Якутск: ЯФ СО АН СССР: Якутский филиал СО АН СССР, 1988. — 136 с.
7. Слепцов О.И., Михайлов В.Е., Петушков В.Г. и др. Повышение прочности сварных конструкций для Севера / Отв. ред. В. П. Ларионов; АН СССР, Сиб. отд-ние, Ин-т физ.-техн. пробл. Севера. — Новосибирск: Наука: Сиб. отд-ние, 1989. — 220 с.
8. Ларионов В.П., Семенов Я.С. Физические основы вязкохрупкого перехода низколегированных сталей и сплавов железа / Отв. ред. О. И. Слепцов; Росс. Акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т физ.-техн. проблем Севера. — Новосибирск: Наука. Сибирское отд-ние, 1992. — 168 с.
9. Ларионов В.П., Лыглаев А.В. Автоволновая деформация: (Стабил. распространение трещины). Рос. АН, Сиб. отд-ние, Ин-т физ.-техн. пробл. Севера. — Якутск: Якут. науч. центр СО РАН, 1994. — 90 с.
10. Новопашин М.Д., Сукнев С.В., Иванов А.М. Упругопластическое деформирование и предельное состояние элементов конструкций с концентраторами напряжений / Отв. ред. В.Р. Кузьмин; Российская акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т физ.-техн. проблем Севера. — Новосибирск: Наука; Сиб. изд. фирма, 1995. — 111 с.
11. Кузьмин В.Р., Ишков А.М. Прогнозирование хладостойкости конструкций и работоспособности техники на Севере / Отв. ред. Ю. С. Уржумцев; Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т физ.-техн. проблем Севера, Якут. гос. ун-т им. М. К. Аммосова. — Москва: Машиностроение, 1996. — 303 с.
12. Кузьмин В.Р., Прохоров В.А., Борисов А.З. Усталостная прочность металлов и долговечность элементов конструкций при нерегулярном нагружении высокого уровня / Отв. ред. чл.-кор. РАН Н. А. Махутов; Якут. гос. ун-т им. М. К. Аммосова. — Москва: Машиностроение, 1998. — 254 с.
13. Сварка и проблемы вязкохрупкого перехода: К 60-летию со дня рождения акад. В. П. Ларионова / Рос. акад. наук. Сиб. отд-ние. Ин-т физ.-техн. проблем Севера; Отв. ред. Л. М. Лобанов. — Новосибирск: Изд-во СО РАН: Науч.-изд. центр ОИГГМ, 1998. — 593,
14. Концепция модернизации региональной экономики: «Якутия — XXI век» / Ред.: Бурнашов Р.А., Кугаевский А.А., Кузьмин В.Р., Филиппов В.В. Якутск: Кудук, 1998. — 108 с.
15. Михайлов В.Е., Лепов В.В., Алымов В.Т., Ларионов В.П. Замедленное разрушение металлоконструкций / Рос. акад. наук. Сиб. отд-ние. Ин-т физ.-техн. проблем Севера. — Новосибирск: Изд-во СО РАН: Науч.-изд. центр ОИГГМ, 1999. — 223 с.
16. Энергетика Северо-Востока: состояние, проблемы и перспективы развития: сборник докладов и научных статей: [на основе межрегионального технического семинара, 23-24 декабря 2003 г., Якутск] / Отв. ред. д.т.н. Н.А. Петров. — Якутск : ЯФ ГУ «Изд-во СО РАН», 2004. — 326 с.
17. Ларионов В. П. и др. Хладостойкость материалов и элементов конструкций: результаты и перспективы / Отв. ред. В. В. Филиппов; Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т физ.-техн. проблем Севера. — Новосибирск: Наука, 2005 (СП Наука). — 290 с.
18. Топливно-энергетический баланс Республики Саха (Якутия) / В.Е. Захаров, А.Н Кузьмин, В.С. Игнатьев и др. Том 2. Якутск: Сахаполиграфиздат, 2005. — 280 с.
19. Энергетическая стратегия Республики Саха (Якутия) на период до 2030 года / Н.Н. Алексеев, А.Н. Голоскоков, А.Ф. Сафронов и др. — Якутск — Иркутск: Медиа-холдинг «Якутия», 2010. — 328 с.
20. Схема комплексного развития производительных сил, транспорта и энергетики Республики Саха (Якутия) до 2020 года / М. Н. Алексеева, А. А. Арбатов, А. А. Ахметшин [и др.]. — Москва : СОПC, 2007. — 400 с.
21. Слепцов О.И. и др. Повышение прочности сварных металлоконструкций горнодобывающих и транспортной техники в условиях Севера / Отв. ред. С. П. Яковлева; Российская акад. наук, Сибирское отд-ние, Ин-т физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова; Новосибирск: Наука, 2012. — 179 с.
22. Григорьев А.В., Лепов В.В. Надежность и ресурс технических систем в экстремальных условиях эксплуатации Арктики и Субарктики. Железнодорожный транспорт / Росс. акад. наук, Сиб. отделение, Ин-т физ.-техн. проблем Севера им. В. П. Ларионова. — Новосибирск: Изд-во Сибирского отд-ния Российской акад. наук, 2018. — 110 с.
23. Concept of Integrity, Reliability and Safety of Energy and Transport Systems for Cold Climate Regions / V.V. Lepov, N.A. Petrov, D.V. Prokhorov [et al.] // E3S Web of Conferences, Irkutsk, 07–11 сентября 2020 года. — Irkutsk, 2020. — P. 05009. — DOI 10.1051/e3sconf/202020905009.
24. Лепов В.В., Бисонг С.М., Голых Р.Н. Многоуровневый подход к моделированию процессов разрушения материалов с субмикроструктурой, применимых в условиях Арктики и Субарктики // Природные ресурсы Арктики и Субарктики. — 2023. — Т. 28, № 1. — С. 156-171. — DOI31242/2618-9712-2023-28-1-156-171
25. Valeriy V. Lepov, Integrity and lifetime in extreme environment of Arctic regions, Procedia Structural Integrity, Volume 20, 2019, Pages 1-3, ISSN 2452-3216, https://doi.org/10.1016/j.prostr.2019.12.106 (1st International Conference on Integrity and Lifetime in Extreme Environment (ILEE-2019) / Edited by Valeriy V. Lepov, Theodoros Rousakis, Bisong Mbelle Samuel).
26. Lepov, V. The Ninth Eurasian symposium on strength and service life at low temperature, dedicated to 50th Anniversary of V.P. Larionov Institute of Physico-Technical problems of the North / V. Lepov, M. Lebedev, N. Petrov // Procedia Structural Integrity : 9, Yakutsk, 14–17 сентября 2020 года. — Yakutsk, 2020. — P. 224-231. — DOI 10.1016/j.prostr.2020.12.034
27. Актуальные вопросы теплофизики, энергетики и гидрогазодинамики в условиях Арктики : Тезисы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, посвященной 85-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки РФ и ЯАССР, д. т. н., профессора Э. А. Бондарева, Якутск, 12–17 июля 2021 года. — Киров: Межрегиональный центр инновационных технологий в образовании, 2021. — 301 с. — ISBN 978-5-907419-59-9