Версия для печати
Вернуться к списку

ТЩАТЕЛЬНО ОБЕЗВРЕЖЕННАЯ ТЕХНОСФЕРА

Крупнейший специалист по техногенной безопасности научный руководитель отдела Института машиноведения имени Благонравова Николай Махутов считает, что знания в этой области не всегда поспевают за развитием технологической инфраструктуры человечества

Николай Андреевич Махутов, член-корреспондент Российской академии наук, председатель Межгосударственного научного совета по чрезвычайным ситуациям стран СНГ, член научно-технических советов МЧС России, ОАО «Газпром», Ростехнадзора. Области научных интересов - конструкционная прочность, техногенная безопасность, механика разрушения, надежность, остаточный ресурс в условиях штатных, аварийных и катастрофических ситуаций. Полученные им результаты использованы при решении практических задач прочности и ресурса ряда потенциально опасных объектов, включая атомные реакторы, паровые турбины, а также термоядерные установки, ракетно-космические системы, летательные аппараты, объекты оборонного комплекса. Николай Махутов был председателем и членом комиссий по анализу разрушений и катастроф на многих технологических объектах (Чернобыль, магистральные трубопроводы в Уфе и Арзамасе, ракетно-космические комплексы, АЭС, Саяно-Шушенская ГЭС).

- Николай Андреевич, как развивалась наука о безопасности сложных технологических систем?

- Люди занимаются прочностью уже тысячелетия. Прочность - это когда объект не разрушается под какими-то воздействиями. И антипод прочности - разрушение. В конце девятнадцатого века накопленные знания в этой области сформировались в комплекс дисциплин. Одна из них, особо любимая сейчас студентами, - сопротивление материалов. По мере того как совершенствовались техника и технологии, становились все сложнее и сложнее объекты, которые создавал человек, становилось все очевиднее, что знаний в области одной прочности явно недостаточно. И тогда появились такие понятия, как устойчивость и жесткость систем.

Вот как раз к концу девятнадцатого века благодаря идеям таких корифеев мировой науки, как Роберт Гук, Карл Юнг, Леонард Эйлер, Дмитрий Иванович Журавский (русский инженер, мостостроитель и специалист в области строительной механики. - «Эксперт»), были сформулированы основные положения трех базовых проблем - прочности, устойчивости и жесткости систем.

Тогда же, в конце позапрошлого века, вошла в жизнь железнодорожная проблематика, и стало понятно, что разрушение машин и механизмов происходит не только по критериям прочности, устойчивости и жесткости, а по какому-то новому критерию. Колеса крутятся, нагрузки уже не статические, а циклические, и оказывается, что разрушения в условиях циклических воздействий могут произойти при значительно меньших нагрузках, чем предельные, но при многократно повторяющихся действиях. Это названо усталостью материала. Первые эксперименты по изучению усталости были поставлены еще в девятнадцатом веке немецким железнодорожным инженером Августом Велером, когда стало понятно, что аварии, в частности поломка колесных осей, зависят от цикличности работы механизмов. Накопился опыт, и оказалось, что, к примеру, на самолетах многое обусловлено не только тем, сколько оборотов сделает винт самолета, но и тем, сколько раз этот самый самолет поднимется в воздух и приземлится. Появилось понятие многоцикловой и малоцикловой усталости, и заданное число циклов стало новым параметром - долговечности. С развитием автомобилестроения и авиации в 1930-1940-е годы проблема долговечности ресурса встает во весь рост.

Так, в оценке работоспособности объектов человечество стало использовать уже пять параметров: прочность, жесткость, устойчивость, усталость и долговечность. В довоенном СССР наука в этих направлениях развивалась стремительными темпами. В разных отраслях промышленности разрабатывались свои нормы, открывались учебные курсы, готовились специалисты. Причем касалось это, естественно, не только транспорта, но и других продуктов машиностроения - энергетики, химии, трубопроводов, металлургического и кузнечного оборудования, станков.

- Создание Института машиноведения, видимо, как раз и соответствовало логике этого развития, связанного с планами ГОЭЛРО, индустриализации страны.

- Так и есть - это был прямой запрос промышленности. Она требовала и новых квалифицированных кадров, и надежной теории, и науки. В 1938 году, когда в системе Академии наук, в техническом отделении, создается Институт машиноведения, перед ним как раз и ставится задача разработать основы четырех крупных направлений в науке, которые бы обеспечивали развитие новой отечественной промышленности: прочность и ресурс, износостойкость, машиностроительные технологии, новые материалы.

- А кому пришло в голову системно соединить эти направления в одной научной организации?

- В 1936-1937 годах АН СССР переезжает из Ленинграда в Москву, при ней создается комиссия по проблемам машиностроения, которую возглавил Евгений Алексеевич Чудаков, первый директор нашего института. Это выдающийся специалист, его учебники по автомобилестроению для вузов, научные монографические публикации были мирового уровня, переводились на другие языки, и известно, что американцы этими учебниками пользовались при создании своих автомобильных заводов. Институт машиноведения позволил нашей автомобильной промышленности двинуться вперед. Чудаков был очень авторитетен не только в Академии наук, возглавляемая им комиссия работала вместе с правительством, с наркомом тяжелой промышленности Орджоникидзе, готовила предложения по развитию машиностроения, металлургии, станко-, автомобиле- и тракторостроения и так далее. Те трудности, с которыми пришлось столкнуться при реализации всем хорошо известных масштабных задач - ГОЭЛРО, Днепрогэс, Магнитка, - показали, что должна быть создана фундаментальная наука не отраслевого, а межотраслевого типа. Чудаков выдвинул тезис: если мы владеем наукой машиноведческой на базе развития автомобилестроения, то можем на основе этих знаний смоделировать и решение проблем, которые встречаются в машиностроении в целом. Тем более что у нас в институте тогда уже работали специалисты-межотраслевики, такие как будущий академик Иван Иванович Артоболевский, ученый мирового класса, создавший теорию машин и механизмов, ТММ - «ты моя могила», как называют этот предмет студенты. Он разработал классификацию пространственных механизмов, создал методы кинематического анализа сложных многозвенных механизмов, работал над проблемами теоретических и экспериментальных методов изучения динамики рабочих машин. Когда-то его научные идеи были большим шагом вперед в машиноведении, а сейчас ими пользуются все специалисты в качестве базовых знаний, как своеобразной таблицей умножения.

- Сегодня не может не удивлять, насколько системно подходили в те годы к развитию техносферы, взять хотя бы создание вашего института.

- К сожалению, наше время действительно не блещет проявлением такого системного подхода. Я недавно был на мероприятии, посвященном 110-летию со дня рождения академика Николая Антоновича Доллежаля, вы знаете, это выдающийся ученый, конструктор в области атомной энергетики, он создавал первый энергетический реактор в Обнинске. На примере ученых такого уровня видно, что именно решение крупных государственных задач влекло за собой появление выдающихся научных работников и инженеров, был настоящий фейерверк технических достижений и успехов. Мы прошли череду юбилеев и собственного института, и тех, с которыми мы долгие годы работали вместе. У нас и у ленинградского ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей», к примеру, были 70-летние юбилеи. Это те институты, которые были созданы перед войной, целый ряд таких организаций. Также недавно была серия праздников 60-летних институтов - это мощные структуры, которые создавались во время войны и в первые послевоенные годы. Сегодня серьезных задач в стране меньше не стало, наоборот, их становится только больше, но мы, к великому сожалению, только сокращаем научно-исследовательские институты. И я с грустью смотрю на это.

- Возвращаясь к предвоенным годам, вспомним, что появился еще один, пятый, как вы сказали, параметр оценки жизнеспособности техники - долговечность.

- Задачи по увеличению долговечности - ресурс при экстремальных воздействиях, - в полной мере поставила война, и в военной технике, прежде всего, они были решены. Потом оказалось, что нам необходимо было решать эти же задачи, но в области высоких и низких температур. Мы ушли в Сибирь, на Север, в Ледовитый океан, в Антарктиду, и возникла новая проблема - хладостойкость машинной конструкции. Конечно, о ней знали и раньше, но в 60-е годы, когда решались масштабные задачи по освоению региона, она проявилась в полной мере. Оказалось, что нормально работающая в Средней полосе России машина на Севере ненадежна и быстро разрушается.

Для Севера пришлось разрабатывать и новые материалы, и технологии. Питерцы хорошо тут поработали и, кстати, работают сейчас. Это и Политехнический институт, и наши кораблестроители, «судаки», как мы их называем: Институт имени Крылова, «Рубин», «Малахит», все, что там, на Севере, работает, с этим им пришлось заниматься, в том числе, конечно, и с военной техникой. Потом пошла реактивная авиация, и от температур в 600-700 градусов, которые у нас были раньше на двигателях внутреннего сгорания, нам пришлось перейти на тысячу, затем полторы, две тысячи. А в ракетной технике сейчас у нас есть узлы, которые работают и при пяти, и при семи тысячах градусов. Возникла новая проблема - как мы ее назвали, высокотемпературная длительная прочность. Это авиация, атомная техника, в общем, это тоже целая школа.

- А как проходила координация, скажем, какого-нибудь ЦИАМа - Института авиационных моторов - и вашего института?

- Это было очень органично и очень естественно. К примеру, тот же академик Артоболевский, работая заведующим отделом лаборатории в Институте машиноведения, возглавлял кафедру в авиационном институте. Мой научный руководитель академик украинской Академии наук Сергей Владимирович Серенсен, крупный ученый в области конструкционной прочности в машиностроении, возглавлял у нас отдел в институте и кафедру в Московском авиационно-технологическом институте и в то же время работал в ЦИАМе. Он многое сделал именно в области высокотемпературной длительной прочности для авиации, ракетной техники. Я и сам, когда 50 лет назад окончил вуз, работая в Институте машиноведения, преподавал в техникуме, в вузе. Все эти исследовательские организации в Киеве, в Риге, в Калининграде этими делами занимались. И получается, что наука была очень тесно связана, во-первых, с промышленностью и, во-вторых, с образованием. И эта тройственность связи - наука, образование, промышленность - реализовывалась в конкретных отдельных личностях и проектах. Но одно административное решение категорически понизило уровень этой связи. Произошло это в 1961 году, когда я поступил в аспирантуру. Глубокоуважаемый Никита Сергеевич принимает решение об отмене совместительства, то есть работать вы можете хоть в десяти местах, но зарплату будете получать одну.

Ущерб советской науке и стране в целом этим решением, я считаю, был нанесен огромный.

- Мотив решения был в том, что ученый слишком много зарабатывал?

- Нормально зарабатывал, как и должно быть. Скажем, я, будучи совсем молодым человеком, в то время получал столько, что мне хватало на все. После 1961 года пришлось сесть на одну аспирантскую стипендию, 780 дореформенных рублей. Тогда много было необдуманных решений, не просчитанных, не оцененных и приводивших к неожиданным последствиям. К примеру, в 1964 году пришлось проводить специальное заседание в Министерстве авиационной промышленности, потому что пассажирские самолеты Ил-18 начали падать. Стали разбираться. Выясняется, что вся эта прочность, долговечность, ресурс, износостойкость - там все отказывает, но когда посмотрели по заводским номерам, оказалось, что падают-то самолеты не старые, а те, которые как раз были только что выпущены. Дело в том, что были отменены надбавки в таких ведущих отраслях, как авиационная промышленность. Как только это произошло, люди стали уходить. Люди перестали держаться за свое рабочее место. И упало качество. И самолеты начали падать: похожее, кстати, произошло тремя десятилетиями позже, когда ракетные комплексы, выпущенные в первые три года после развала Союза, стали сбоить, а сами ракеты падать. Тогда же, в 60-е, было выведено из состава АН очень большое число институтов. В частности, наш институт попал в ту сотню, которая из АН была выведена в разные министерства.

- В какое министерство попал ваш институт?

- Мы попали в Комитет по координации научно-исследовательских работ. В принципе это более или менее нормально, институт не пострадал. Мы свою функцию продолжали выполнять вначале в Комитете координации, потом в Комитете по науке и технике, потом в Министерстве станкостроения. Потом опять нас вернули в АН. Тем не менее мы решали проблемы, связанные с низко- и высокотемпературной прочностью. В 1960-1970-е годы была такая целевая установка и у нас, и во всем мире: изготавливать конструкции надо бездефектные, должно быть стопроцентное качество. Но потом оказалось, что даже если это все обеспечивается, то обеспечивается только при существующих средствах диагностики и контроля - а это были простые оптические системы. Когда же наука дала возможность использовать в промышленности ультразвук, магнитные приборы, рентгеновские, научилась просвечивать объекты, то оказалось, что ни один из них бездефектным не является, и все это обладает дефектами разного уровня. И на самом деле, мы же не имеем дело с идеальным сплошным материалом, который изучаем в том же сопромате. Тогда в 1970-х годах возникло новое направление, которое мы сейчас называем живучестью, - то есть конструкция должна жить, несмотря на то что у нее обнаружены дефекты. Причем эти дефекты могут даже быть за пределами, допускаемыми нормами.

И механика разрушения, которая живучесть эту определяет, в первую очередь стала развиваться применительно к авиации. Почему авиация? Улетели-то вы без прострелов в фюзеляже, крыльях, лопастях, а в бою это все получили, по идее, вы должны были бы уже выбросить этот самолет. Но вам-то надо еще и отстреливаться, и постараться сесть на поврежденном самолете. В частности, моя кандидатская и докторская диссертации были посвящены этой проблематике. Докторская была ближе к энергетике, тепловой и атомной. Но, как всякая наука в машиноведении, работа имела межотраслевой характер.

- Думаю, что те же атомщики смотрели на вас свысока: дескать, что тут понимают люди не из средмаша?

- Вы не правы, свысока не смотрели, поскольку прочность, ресурс, высокотемпературная прочность являлись доминирующими в технологической повестке дня. Приведу пример. Мы проводили исследование перед пуском финской станции Ловиза. Конструкция нашего реактора кардинально отличалась, к примеру, от американской, причем тем, что во время работы нейтроны активно начинают бомбардировать стенку реактора. Финны опасались этих высоких потоков и ухудшения свойств металла, и они предложили ухудшить теплофизические и нейтронно-физические параметры реактора, поменяв часть топливных сборок на холостые кассеты, которые не будут сами излучать, а примут на себя часть излучения. Чтобы провести измерения, наш институт установил тысячи датчиков и в активной зоне, и на трубопроводах. И финнов в конце концов удовлетворили с точки зрения надежности. То же мы проделали, запуская головной образец реактора ВВЭР-1000 на пятом блоке болгарской АЭС «Козлодуй». Наш институт в ходе предпусковых испытаний установил тысячи датчиков, состоявших из микронных проводков, мы выпустили целый том по измерениям и знали, не по расчетам, чем реактор дышит. Мы разработали эти датчики и научились их приваривать внутри корпуса реактора, сотни километров проводочков проложили. Нужно, чтобы погрешность этих датчиков была невелика, чтобы они в нейтронном потоке, в горячей воде, в радиации могли работать, в реакторе продержались три-пять-семь лет, чтобы снять все характеристики. И в Финляндии, и в Болгарии американцы, немцы, японцы приходили и смотрели, что мы делаем, и говорили: мы не такая богатая страна, чтобы суметь поставить такие исследования. Сегодня эта культура и у нас в основном утеряна, но считать, что достаточно создать компьютерную, математическую модель того же реактора и можно просчитать любые режимы работы потенциально опасного объекта - глубочайшее и опаснейшее заблуждение. Натурные испытания будут необходимы всегда.

- Не были ли избыточными такие измерения? Американская атомная энергетика изрядно старая и все же достаточно надежная.

- У них получилось все-таки попроще, чем у нас. Американцы изначально крупные заводы и атомные станции ставили на берегах рек и озер.

- Чтобы судами подвезти оборудование?

- Чтобы судами подвезти. А мы вынуждены возить по железной дороге. Поэтому они, когда изготавливали реактор, могли размеры реактора и, соответственно, расстояние между активной зоной и стенкой реактора запроектировать существенно большими, чем у нас. А у нас получалось так: диаметр реактора как был пять метров, так он и остался, независимо от того, делаем мы ВВЭР-210, 440 или тысячник, а ведь мощность их различается в три-пять раз, тут, хочешь не хочешь, приходится проводить исследования и испытания более тщательно и материалы разрабатывать другие, очень сложные. Требования к мощности растут, а железная дорога остается все та же.

- Тогда непрофессиональное, в лоб, сравнение технических характеристик, параметров надежности с американцами обидно для наших разработчиков.

- Те же американцы говорили: плевать нам на радиацию, мы возьмем и поставим стенку реактора подальше от активной зоны, и сталь охрупчиваться от воздействия нейтронов будет меньше. Поэтому мы возьмем обычную сталь, возьмем обычный пресс и все это сделаем дешево. А у нас так не получалось. Вот есть распространенное мнение, что американский шаттл и «Буран-Энергия» - это примерно одно и то же. На самом деле это совершенно разные вещи. Скажем, у них полезная нагрузка машины 18 тонн, а на нашем-то 100. Это совсем другие научные, конструкторские, промышленные задачи. Поэтому странно слышать, что, дескать, передрали у американцев опять. Что касается авиационной, атомной и подводной техники, то накануне краха Советского Союза мы обгоняли американцев по ключевым направлениям на 10-15 лет. Скажем, мировые рекорды подводных лодок по скорости до сих пор принадлежат нам.

- На Ижорах мне рассказывали легенду, как американская эскадра пыталась догнать нашу подлодку, которая шла под водой, но так и не смогла.

- Это не легенда, у наших АПЛ очень высокая скорость, к тому же они могут нырять на глубину до 1000-1200 метров, а американцы - до 600 метров. Торпеда «Шквал», экранопланы «Каспийский дракон», ракеты средней дальности - ничего подобного у них не было. Сейчас все носятся с А380 как с крупнейшим самолетом, а у нас самолет «Мрия» был создан на 30 лет раньше. По задачам, по размерам он уникальнее этого аэробуса. Советский Союз накануне распада по основным параметрам, такова моя точка зрения, существенно опережал США.

- Николай Андреевич, а что происходило в сфере технологической безопасности в 80-е годы?

- В то время, когда вопросы живучести, ресурса были решены, оказалось, что нужна еще и новая наука - безопасность. Вдруг выясняется, что понимания чисто инженерного этой проблемы недостаточно. Оказалось, что в общем-то мы не учитываем еще один фактор - степень опасности того или иного процесса. Развитие трещин, ведущее к разрушению, развивается. Трещина везде развивается, но если она принадлежит какому-то объекту высокорисковому - это уже совсем другая трещина. Скажем, если трещинка, условно говоря, на детали трактора, то ее опасность одна, если она на самолете, то другая, если на баллистической ракете - это третье. Там должен быть другой подход, там должен быть другой расчет. Там должна быть другая идеология. В это время происходили тяжелые катастрофы: американская АЭС на Тримайл-Айленде, Чернобыль, Бхопал в Индии, были аварии космических систем. И в 1988 году я написал записку в Комиссию по чрезвычайным ситуациям, что нужно организовать исследование новой проблемы, которую тогда мы назвали безопасностью. В 89-м было решено, что надо готовить государственную программу по проблемам безопасности. И в 91-м Совет Министров СССР и Комитет по науке и технике подписывают решение о программе «Безопасность населения и народно-хозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф». Фактически это была первая в мире государственная программа по техногенной безопасности.

В этой программе мы уже сказали, что можно иметь прочность, ресурс, характеристики запаса хорошие, но при этом если не учитывать параметры риска, то из-за трещины могут разрушиться такие крупные объекты, как атомные станции. Так в конце прошлого века техногенная безопасность и риск стали основой новых подходов, новых знаний. Под риском понимается вероятность возникновения тяжелой аварии на технике определенного типа. Еще надо обязательно учесть предполагаемый ущерб. Произведение вероятности возникновения неблагоприятного события, умноженное на негативные последствия, ущерб от этого же события - это и есть риск, считаемый в деньгах - рубли в год.

- После аварии на Саяно-Шушенской ГЭС посчитали ущерб, и он оказался равен всего-то 2,5 миллиарда рублей, не так уж велик риск при таком подсчете. Тем более эта сумма выглядит странной, если один заказ на десять новых турбин стоит больше.

- Эти 2,5 миллиарда посчитали как первичный ущерб. На деле же ясно, что погибли люди, разрушено там все, не только самой станции - стране нанесен огромный ущерб. Я посчитал: обойдется нам это примерно в 180 миллиардов рублей минимум. Вспомним, как было в Чернобыле. Там первый ущерб после разрушений сначала оценили тоже всего в один-два миллиарда долларов. Когда мы ликвидировали эту аварию (туда сколько-то специалистов, солдат, техники, материалов перебрасывалось), эта цифра достигла уже 10 миллиардов. Когда мы учли отселение и переселение, закрытие станции, недовыработку электроэнергии, выплаты, более ранний уход на заслуженный отдых, медицину - то в сумме ущерб составил уже около 200 миллиардов долларов в сопоставимых ценах. Причем в сумме ущерба надо учитывать не только погибших людей, но и то, сколько людей погибнет в дальнейшем или получит увечья.

- При чем здесь будущие смерти?

- А как же их не считать? Гибель людей, разрушение машинного зала, его восстановление, невыработка энергии, потеря энергии - это так называемые прямые ущербы. Если же вы изымите 200 миллиардов из бюджета и пустите на восстановление, то, значит, вы не достроите больниц, не закупите лекарства, недодадите МЧС и Академии наук. Скажем, стало меньше энергии - какие-то заводы будут остановлены, что-то перестанет выпускаться, вы начнете перебрасывать энергию, начнут, условно говоря, гореть трансформаторы. Это так называемые вторичные ущербы.

- Что нужно делать сейчас?

- Принять решение. Нужен федеральный закон о защищенности стратегически важных для национальной безопасности объектов от тяжелых катастроф с учетом критериев стратегических рисков. Нужен указ президента, в котором говорилось бы о том, что Саяно-Шушенскую ГЭС необходимо восстановить не в старых технологиях, нужно сделать ее своеобразной опытной лабораторией Академии наук, потому что только у этой организации еще сохранился междисциплинарный и отраслевой подход. Она должна иметь полномочия и финансирование на исследовательские работы (по сравнению с ущербами это мизерные деньги). Не надо дожидаться следующей катастрофы национального уровня.

Я недавно писал в связи с Саяно-Шушенской ГЭС: та техносфера, те инфраструктуры, которые создало человечество, они в себе уже накопили столько опасностей, что наших знаний, наших способностей, нашего умения их предвидеть и предотвращать оказалось недостаточно. То есть мы прошли некую точку бифуркации, и выяснилось, что эти угрозы растут быстрее, чем мы можем на них реагировать.