Как взаимодействует бизнес и наука в России сегодня, как учёные для этого не только разрабатывают новые технологии, но и развивают компетенции в области управления наукой, – обо всем этом, в рубрике «Истории успеха красноярских ученых», подготовленной при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий», на страницах издания Newslab.ru рассказывает доктор технических наук старший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН Андрей Лексиков.

Расскажите в общих чертах, чем вы сейчас занимаетесь?

Мы разрабатываем и изготавливаем входные мультиплексоры, сигнал на которые приходит с приёмной антенны спутника. Мультиплексор – это устройство частотной селекции сигналов, которое стоит на ретранслирующем их спутнике. Такие спутники находятся на геостационарной орбите, то есть такой орбите, на которой спутник находится всегда над одной точкой земли. Они получают сигнал из одной точки и ретранслируют в другую.

Задача этих устройств – после получения сигнала с антенны разбить его по частотам разных каналов с помощью полосно-пропускающего фильтра. Мы всегда занимались такими фильтрами, однако мы их делали для наземных систем. Сейчас это космическая система, к которой предъявляются более высокие требования по чистоте сигнала и по качеству исполнения самого изделия. Наша последняя разработка канального полосно-пропускающего фильтра, который совместно с тремя другими формирует входной мультиплексор, опубликована в журнале «Письма в Журнал технической физики».

На спутнике кроме входных мультиплексоров есть ещё и выходные, то есть те мультиплексоры, которые после прохождения сигнала через спутник, его усиления и очищения, выдают его обратно на антенну для излучения в космос. У нас пока нет оборудования для создания таких выходных мультиплексоров, однако в рамках Центра коллективного проектирования, грант на создание которого ФИЦ выиграл в этом году, мы планируем закупить нужное оборудование и закрыть ещё и эту область.

АО «РЕШЕТНЁВ» у нас заказал разработку и изготовление входной части. От того, насколько хорошо сигнал подготовлен на входе, зависит насколько сложен должен быть спутник в части ретрансляции. Нужно учитывать ещё и взаимное влияние канала на канал, которое может приводить к ухудшению картинки для конечного пользователя. Сейчас геостационарные спутники работают не только на спутниковую связь, но и на спутниковое телевидение.

Какие технологии вы применяли для изготовления мультиплексора?

Когда мы посмотрели на техническое задание, которое нам предъявил заказчик, и изучили существующие технологии, то поняли, что требуемые характеристики недостижимы. Решения не было, поэтому пришлось применять определённую математическую теорию. Мы изменили характеристики фильтра специальным образом, пожертвовав одними, но значительно улучшив другие характеристики для того, чтобы выполнить требования заказчика. В вышеупомянутой статье как раз рассказано про то, как можно, пожертвовав уровнем обратных потерь, сделать так, чтобы канал мультиплексора хорошо работал только на его основных частотах, но при этом начинал всё отражать при малейшей отстройке по частоте.

Идеальный фильтр по форме напоминает прямоугольник – работает только на частотах полосы пропускания, а при отклонении от них характеристики резко уходят вниз. В реальном фильтре характеристика по форме скорее напоминает колокол, и чем этот колокол более пологий, тем хуже добротность резонаторов внутри фильтра.

 Что такое добротность?

Добротность – это мера того, как устройство умеет запасать энергию. Когда оно получило энергию, то может либо быстро потратить её, либо запасти и хранить некоторое время. На добротность влияют различные характеристики. Например, проводимость металла, тангенс угла диэлектрических потерь, экранирование. В оптических системах теоретические исследования показывают, что можно добиться добротности порядка нескольких миллионов единиц.

Собственная добротность для волноводных конструкций находится в диапазоне нескольких тысяч единиц. Чтобы реализовать заказанный мультиплексор, нужна была собственная добротность более 25 тысяч единиц. Нам доступно 7 тысяч единиц по той технологии, которая есть у нас сегодня. По тем технологиям, которые есть вообще в России, можно попробовать достичь 14 тысяч единиц.

Однако в любом случае добротность была хуже, чем то, что нужно, фактически в два раза. Применённая теория позволила нам перепрыгнуть с семи тысяч в требуемые двадцать пять. Когда выяснилось, что, жертвуя одними параметрами, мы добиваемся требуемой избирательности, мы подтвердили это экспериментально, и дальше уже использовали в изделии, которое решает задачу. Весь этот цикл у нас занял примерно полтора года.

Это очень быстро!

Да, это довольно быстро, но здесь помогло то, что в Институте физики очень сильная фундаментальная школа. Плюс есть команда, которая села, и не поднимая головы, занималась этой задачей как минимум полгода.

Например, одному из членов научной команды была поставлена задача – подтвердить на модели, что предложенный метод работает, потому что мы в статьях встречали о нём упоминания, но работает ли он, подтверждений не было. Человек приходил утром, садился, и только вечером вставал из-за компьютера, целыми днями проверяя, можно или нельзя использовать новый метод.

Правда ли, что у вас есть программные пакеты, которые вы сами сделали под поставленные задачи?

Да. В этом нам очень сильно помогает молодёжь. Старшее поколение учёных сейчас занято в связи с существующими обязательствами по контрактам, потому что спутники должны быть собраны в определённое время. А молодёжь, у которой нет этих обязательств, решает научные задачи, нарабатывая фундаментальное знание, которое в дальнейшем может быть использовано для решения новых прикладных задач. Например, в настоящее время один из аспирантов как раз работает над математическим инструментом, который бы позволил нам свести то наше многомесячное усердие в считаные дни.

Вы говорите, что в России никто 25 тысяч добротности не достигал. И не достигнет. А вы это сделали. Это единственная в России технология?

Мы не смогли этого достичь прямым путём, но сделали косвенно. Не то чтобы мы обманули физику, но, скажем так, мы чем-то пожертвовали, чтобы достичь того, что нам нужно.

Эта технология будет принадлежать Институту физики СО РАН?

Это знание, а не технология. Технология, по которой строятся мультиплексоры, известна. Суть в том, что мы принесли новое знание. Мы показали, что за счёт предыскажений мы можем увеличить значение добротности почти в четыре раза. При этом если провести измерение добротности, её значение останется прежним. Сравнивая с фотокамерой и оптическим увеличением, можно сказать, что мы сделали зум для добротности.

 

Сейчас речь идет об опытной модели изделия или уже о серийном производстве?

Ни то, ни другое. Мы сделали мультиплексоры, которые необходимы для конкретного спутника. Мы уже прошли этап проектирования, где показали, каких характеристик достигнем. После этого был этап наземной отработки, где мы изготовили макеты, показали, что те характеристики, которые мы обещали, в принципе достигаются. После этого был этап квалификации, когда уже не просто на макетах, а на полноценных изделиях, аналоги которых полетят в космос, показали, что характеристики достигнуты, что эти изделия выдерживают вибрационные и ударные нагрузки, которые возникают при отделении спутника от ракеты-носителя. Доказано, что они работают при различных температурах, которые будут в спутнике. Для входных мультиплексоров это крайне важно. К примеру, несмотря на то что относительная диэлектрическая проницаемость воздуха отличается от относительной диэлектрической проницаемости вакуума всего лишь в четвёртом знаке после запятой (1,0006 против 1,0000), что есть пренебрежительно малая величина, этот пренебрежительный хвост приводит к тому, что у мультиплексора в вакууме при различных температурах полоса пропускания может сдвигаться примерно на 10-20%. Недаром я считаю эти изделия произведениями искусства!

То есть из-за изменения температур меняются технические характеристики мультиплексора?

Да, если настроить мультиплексор на Земле без учёта этой поправки, то, когда он улетит в космос, произойдёт дегазация и весь воздух из него выйдет. В результате оператор спутника не сможет обеспечивать требуемую скорость передачи информации, то есть она будет намного ниже. Чтобы проверять, правильно ли учтён этот вакуумный сдвиг, мы приобрели камеру имитации безвоздушного пространства. Каждый раз проверяем, верно ли мы посчитали разницу диэлектрической проницаемости? Потому что эта величина зависит от влажности, от температуры, от многих параметров. Приходится каждые три часа измерять их в лаборатории, чтобы учитывать при настройке мультиплексоров.

Кажется, что мультиплексер должен быть ещё и очень прочным?

Мультиплексор должен проработать на орбите 15 лет. Выдержать нагрузки на старте ракеты-носителя, потом при отделении полезной нагрузки в космосе, и потом, когда расстегиваются солнечные батареи. Это всё как небольшие взрывы и множество ударов. Соответственно, изделие должно выдерживать большие ударные нагрузки. Для этого важны и прочность самого корпуса, и качественное крепление. Для фиксации резьбы применяются специальные составы. У нас в каждом канале 108 винтов. Соответственно, у четырёх каналов 432 винта, а во всём мультиплексоре примерно 800 винтов. Каждый винтик промазывают клеем и вкручивают с определённым усилием. После этого сутки они стоят при температуре плюс 60°С, либо неделю при плюс 24°С. Это так называемое «контрение» для того, чтобы мультиплексор выдержал суровые условия эксплуатации.

 

Эти части мультиплексора, которые вы делаете, в России их никто больше не делает?

Это индивидуальное изготовление под конкретный спутник. Каждый раз это новое изделие с новыми характеристиками. Когда к нам в позапрошлом году пришёл другой заказчик, с предложением сделать ему мультиплексоры, мы отказались. Предполагалось, что мы должны разработать и потом обеспечить серию из 2000 мультиплексоров. Нам такие задачи не интересны. Гораздо интереснее каждый раз делать что-то новое. К примеру, сейчас для космических аппаратов «Экспресс АМУ-4», «Ямал-501» и «Экспресс-РВ» мы применяем одну технологию, а дальше перейдём на другую. С точки зрения космической отрасли, наверное, решение не самое правильное. Как показывает опыт иностранных компаний и взаимодействие с заказчиком, иностранцы десятками лет одно и то же решение применяют во всё новых и новых спутниках.

Однако мы всё-таки наука, а не производство, нам интересно пробовать что-то новое. Улучшить характеристики, уменьшить массу, уменьшить размеры. Не штамповать одно и то же изо дня в день.

Что значит интересно? Интересно с точки зрения какого-то развития: вы новую статью опубликуете, новое оборудование закупите?

Когда ты делаешь одно и то же день за днём, нет новых знаний. Мой интерес в том, чтобы мы в каждом новом проекте порождали новые знания. В конце года к нам приезжает 3D-принтер по металлу. 3D принтер – это новая технология, которая нам должна помочь уменьшить вес изделия. Мы сможем в идеале напечатать весь мультиплексор, а не собирать его из отдельных деталей. Не крепить массой винтов и специальным клеем.

Эта технология в космической отрасли применяется, однако сейчас используется в основном для конструктивных изделий, элементов поддержки, корпусов и чего-то подобного. Наша задача, да и в принципе общемировая – европейцы и американцы движутся в том же направлении, чтобы печатать полезную нагрузку.

В космостроении используется инвар – очень прочный металл. Как вообще возможно им печатать?

Когда мы начинали переговоры с производителями оборудования и сказали, что нам нужен 3D принтер, который сможет печатать инвар, нам ответили, что это невозможно. Однако, когда мы показали статью французской команды, где впервые был показан фильтр, напечатанный из инвара, производители ушли и через месяц вернулись с согласием изготовить специальный принтер для печати инваром.

 

Выходит, что сам принтер тоже создали специально для вас?

Его должны модифицировать, чтобы он печатал под наши задачи, то есть производитель предложил модифицировать техпроцесс под нас, чтобы мы могли печатать уже прецизионные сплавы. Инвар – это прецизионный сплав, в котором содержится определённое соотношение никеля и железа, что и приводит к предельно низкому коэффициенту линейного температурного расширения и высокой температурной стабильности. Отсюда возникает вопрос: как при росте структуры, когда идёт послойная печать устройства, сохранить структуру материала? Есть целый спектр технологических, научных, исследовательских вопросов, на которые нужно ответить.

 

Я сравниваю ваш подход – представителей науки, с бизнесом, который старается все процессы максимально упростить, удешевить, покупать что-то серийное, чтобы удешевлять производство.

В этом наша, с одной стороны, особенность, с другой стороны – проблема. Мы не идём по пути экономии на закупках и использовании отработанных решений. Например, мультиплексоры, собранные под космический аппарат «Экспресс-АМУ4», прошли квалификацию, были допущены к изготовлению лётных изделий. Все электронные компоненты прошли квалификацию, но в новых проектах мы искали другую компонентную базу, более совершенную, ездили на российские и китайские заводы, искали тех, кто нам выдаст лучшие характеристики. Потому что наша репутация – это наша прибыль.

Может быть, с точки зрения управления — это ошибка, но то, чего мы на сегодняшний день добились, связано именно с тем, что мы шли таким путём, всегда старались бороться за свою репутацию.

А как заказчики оценивают такой подход: они же рассчитывают бюджет, а у вас в процессе, например, возникают изменения?

Они приходят и говорят, что нужны определённые компоненты. Запрашивают цену. Мы садимся считать, закладываем стоимость разработки изделий, небольшой запас на проведение сопутствующих исследований и на риски. Обосновываем всё до последней копейки, после чего заказчики проверяют, правильно ли мы всё обосновали, что мы заложили в итоговую стоимость. Могут сказать, если их что-то не устраивает, в каком объёме и по каким статьям.

Мы пересчитываем или можем отказаться. Однако ту цифру, которую мы в итоге с ними согласовали, никто нам не поменяет, и в этом смысле все форс-мажоры – уже наши проблемы. Может быть ситуация, что методы, которые мы изначально планировали применять, не подойдут, и тогда в рамках установленной суммы необходимо всё переделать. К примеру, у нас вибрационные испытания 3 раза проходили хуже, чем мы планировали, и каждый раз мы переделывали конструкцию и заказывали компоненты за свой счёт.

Другое дело – истории про освоение новых технологий. Это уже проекты развития. Здесь либо подключается пул индустриальных партнёров, либо мы участвуем в проектах Министерства науки и образования РФ. Например, Центр коллективного прототипирования – это проект Министерства науки и высшего образования, где государство предоставило деньги на новые технологии. ФИЦ КНЦ СО РАН получил 400 миллионов рублей, из которых 170 миллионов рублей стоила система для печати металлом плюс необходимое дооснащение. Дооснащение – это, например, печь для отжига, пескоструйная камера, взрывозащитный пылесос, станки для фрезерной и токарной обработки, эрозионная обработка. Новые технологии можно получить только за счёт вот таких программ.

Бизнес для этого привлекает инвестиции, он скрупулёзно считает деньги и привлекает инвестиции банков для развития. У нас немного другая ситуация. Мы можем привлекать деньги государства – либо федеральные деньги через Минобрнауки, либо краевые деньги через Красноярский краевой фонд науки.

Вы же учёный. То, о чём вы сейчас рассказываете, это уже вещи, связанные с бизнесом, с управлением персоналом, с управлением рисками и так далее. Где вы этому учились?

Я окончил Красноярский государственный университет по направлению радиофизика. Классическое научное образование. А те знания и навыки, о которых вы говорите – всё в процессе работы, опытным путём, читая статьи, книги, интернет. Задачи в нашей области весьма специфические: нужно уметь и проектировать, и моделировать, и уметь делать сборку. Кроме того, я занимаюсь управлением внутренними и внешними процессами, представляю команду перед заказчиками.

Специальное обучение этому, наверное, есть – курсы, которые направлены на развитие компетенций в области управления наукой. Но это уже скорее повышение квалификации. Такие курсы не проходил. Большинство знаний получается через опыт, чтение кодексов (трудового, административного, налогового). Что-то можно узнать из общения с заказчиками.