ТЕХНОГЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ — ДЕЛО ТОНКОЕ

Национальная безопасность - понятие многокомпонентное. Ее толкования в справочниках советского периода найти невозможно, и это вполне объяснимо. В данной же статье речь пойдет об одной из важнейших составляющих национальной безопасности, оказывающих существенное влияние на престиж государства - техногенной безопасности, которая обеспечивается безаварийной эксплуатацией всех без исключения инженерных объектов. Такие их характеристики, как надежность и долговечность, очень ценятся на мировых рынках. Отвечающая этим качествам техническая продукция конкурентоспособна, на нее постоянно существует спрос. Нам же на сегодняшний день похвастаться особо нечем, кроме как самолетом Ан-72, ракетоносителем «Зенит», танками…

Почему высотные сооружения, промышленные объекты, плотины, мосты, оборудование, бытовая техника и пр. часто выходят из строя, ломаются, стают непригодными, не дослужив заданный конструкторами срок эксплуатации? Или материалы применяем не те, или прогнозировать наступление критической ситуации не умеем, или, возможно, наши представления о физической природе сопротивления материалов устарели? Настойчивый поиск ответов на эти вопросы привел доктора технических наук А. КОМАРОВСКОГО к открытию компрессионно-дилатонной природы твердых тел. Сущность этого открытия изложена ученым в книге «Управление деформированием и разрушением» (Киев, Випол, 1998 г.) Для предотвращения аварий и катастроф им предложены методы управления техническим состоянием материалов и конструкций, использование которых особенно целесообразно в высокоответственных инженерных сооружениях (самолетах и космических аппаратах, атомных электростанциях, промышленных установках и т.д.). Кроме того, Анатолий Андреевич разработал концепцию диагностического обеспечения техногенной безопасности. На тему, которая, несомненно, является сегодня архиважной для любого государства, наш корреспондент ведет разговор с ученым.

- Многие сервисные и технические системы легко поддаются автоматизации, технической диагностике и контролю. А как с этим обстоят дела у конструктивных систем?

- Относительно их надежности, прочности и долговечности современные методы проектирования делают лишь вероятностный прогноз, оставляя место случайности. Методы же диагностики являются констатирующими. Они не позволяют прогнозировать направление изменения технического состояния материалов и конструкций в заданных условиях эксплуатации, а тем более возможность наступления критической ситуации.

По данным Американского института бетона из-за этого в процессе эксплуатации отказывает до 10% строительных объектов, причем 1% из них с катастрофическими последствиями. Таков технический уровень современных методов проектирования и расчета. Такова цена их несовершенства только в одной сфере промышленного производства - строительной.

- То есть самые значимые системы любого инженерного объекта - конструктивные - имеют самое низкое инженерное и научно-техническое обеспечение?..

- Более того, разрыв между условиями эксплуатации и техническим обеспечением непрерывно возрастает. Детали и узлы перспективных инженерных объектов испытывают действие разнообразных внешних полей (силовых, тепловых, гравитационных, радиационных, электромагнитных и иных), агрессивных сред и вакуума. Представления же о физической природе сопротивления материалов различным комбинациям этих воздействий безнадежно устарели. Они сформировались в то время, когда инженерные объекты работали только в постоянных или медленно изменяющихся силовых полях. Длительное время господствовали взгляды на твердые тела как на идеальные, бездефектные и сплошные среды. На них базируются классические механические теории прочности, среди которых особую область занимает теория трещин. Она получила широкое распространение. К настоящему времени накопилось большое число экспериментальных фактов, не укладывающихся в ее рамки. Некоторые из них решает статистический подход, однако и он оставляет в стороне физическую природу процессов, протекающих в структуре материалов под влиянием разнообразных внешних факторов.

- Какие же это процессы? Позволило бы, к примеру, знание природы этих процессов предотвратить или хотя бы снизить уровень разрушений при землетрясениях в Ташкенте, Спитаке, Петропавловске и др., избежать появления трещин в плотине Днепрогеса, а в новом строительстве разработать такие материалы, которые бы не реагировали на внешние воздействия?

- Большинство известных теорий рассматривает сопротивление материалов в формальной механико-математической плоскости. Важнейшим этапом учения о прочности следует считать его переход в физическую плоскость. Он произошел тогда, когда твердые тела стали рассматривать как атомно-молекулярные системы. Однако его развитие шло не очень последовательным путем. Широко используя положение об атомном строении твердых тел, исследователи, тем не менее, фактически игнорировали главную и неотъемлемую их часть - правило о том, что поведение любой связанной атомно-молекулярной системы в любой ситуации описывается законами статистической физики и термодинамики. Только продолжение атомно-молекулярной концепции прочности в этом направлении делает ее завершенной.

Состояние твердого тела, как и любого другого живого или неживого объекта оценивается внешними и внутренними параметрами. К внешним относятся геометрические размеры и форма, а к внутренним - температура. Для твердого тела они тесно связаны между собой термодинамическим уравнением состояния. Во множестве состояний имеются критические. Их определяют соответствующие температуры. Например, у человека нормальной температурой является 36,6°, а критической 37°С. Они достаточно близки друг к другу. Первая характеризует состояние термодинамического равновесия, а вторая - начало воспалительных процессов. Отклонение температуры в ту или другую сторону от равновесной резко изменяет физиологическое состояние человека и его работоспособность.

Аналогичные закономерности проявляются и у твердых тел. Для них критическими являются температуры «хладноломкости» и Дебаевская, которые резко изменяют характер сопротивления твердых тел внешним воздействиям. Как и у живых существ, они не намного отличаются друг от друга: температура «хладноломкости» не более чем на 25% ниже Дебаевской. При температуре «хладноломкости» межатомные связи в принципе не могут оказывать сопротивление, а при Дебаевской - они изменяют свою пространственную конфигурацию и термодинамическую сущность. Между этими температурами межатомные связи имеют компрессонный тип, а при Дебаевской - дилатонный. Компрессоны оказывают сопротивление только при поглощении тепла, дилатоны же - наоборот - только при его потере. Структура любого материала соткана из компрессонов и дилатонов, от их соотношения на данный момент времени зависят его физико-механические свойства. Изменяя это соотношение можно управлять напряженно-деформированным состоянием конструкционных материалов, а значит создавать инженерные объекты, адаптирующиеся к условиям эксплуатации. Они ни при каких обстоятельствах не допустят возникновения аварийной ситуации.

Относительно приведенных в вашем вопросе конкретных случаев аварий и катастроф хотел бы отметить следующее. Если бы несущие конструкции разрушившихся сооружений были бы оборудованы системами, адаптирующимися к условиям эксплуатации (они подробно описаны в упомянутой книге), то, очевидно, удалось бы избежать множества человеческих жертв.

- Следовательно, нужно контролировать Дебаевскую температуру, если она играет такую фундаментальную роль в процессах деформирования и разрушения?

- Это очевидно, так как при ней протекают компрессонно-дилатонные переходы, порождающие трещины. Однако в прикладных науках (сопротивление материалов, материаловедение, теория надежности и т. д.) и инженерных приложениях (проектирование и расчет, эксплуатация, ремонт и реконструкция и т. д.), к сожалению, этому пока не уделяется должного внимания. Совпадение температуры эксплуатации с Дебаевской приводит к катастрофическому снижению способности конструкционных материалов сопротивляться внешним воздействиям и как следствие - к отказу (казалось бы, немотивированному) надежно запроектированных и изготовленных с особой тщательностью объектов. Ее действие на металлические материалы можно формально сравнить с прогрессирующим растрескиванием пористых материалов при 0°С.

- И разве никто до сих пор не заметил связи Дебаевской температуры с механическими свойствами твердых тел?

- Эйнштейн, возможно, был первым, кто еще в 1911 году обратил на это внимание. Позже такая корреляция была обнаружена экспериментально. Однако в то время ее физического механизма предложено не было, и как результат она так и оставалась невостребованным фактом физики твердого тела. Только теперь механизм влияния Дебаевской температуры на прочность и надежность твердых тел стал совершенно ясным и очевидным. Именно она вместе с температурой «хладноломкости», а не формальные пределы (прочности, текучести и выносливости), определяет поведение материалов во внешних полях и агрессивных средах.

В микромире реализуется три принципиально различных механизма разрушения: хрупкий, Дебаевский и пластичный. Первый соответствует температуре «хладноломкости», а последний протекает при высоких температурах. Они разделены большим температурным интервалом, поэтому одновременно протекать не могут. Дебаевская температура большинства конструкционных материалов близка к комнатной. В этой области температур характерным и определяющим является Дебаевский механизм разрушения. Процесс разрушения приобретает катастрофический характер тогда, когда он совпадает с одним из температурных. Это происходит при резком снижении или, наоборот, значительном повышении температуры внешней среды в условиях действия переменных силовых полей.

- В настоящее время в промышленно развитых странах идет острая борьба за качество продукции, без которого немыслим выход на мировые рынки. Украина тоже стремится зарекомендовать себя государством со значительным научно-техническим потенциалом. В этой связи, думаю, закономерен вопрос: как достигается надежность и долговечность технической продукции в Украине, каким образом можно повысить уровень ее надежности, чтобы она отвечала самым высоким потребительским качествам?

- Не погрешу против истины, если скажу, что существующая ныне, и не только у нас, но и во всем мире, система обеспечения надежности и долговечности промышленной продукции пассивна, инерционна и неуправляема. Она не предусматривает возможность корректировки ресурса в зависимости от внешних условий или восполнения израсходованной его части. Неизбежным следствием уменьшения ресурса является разрушение материала и отказ деталей и конструкций. В этом коренной недостаток системы. Именно он определяет достигнутый уровень техногенной безопасности. Повысить ее, оставаясь в рамках традиционных представлений о природе сопротивления материалов деформированию и разрушению, невозможно.

Сделать это можно лишь на основе создания материалов и конструкций с восполняемым ресурсом. В отличие от существующих они должны не только изменять свое термодинамическое состояние при действии полезных нагрузок, но и мгновенно восстанавливать его под влиянием конкурирующих или управляющих энергетических полей. Физические основы и идеология создания таких материалов и конструкций в настоящее время разрабатываются. Это позволяет создать прогнозирующие методы технической диагностики. Чувствительные элементы предупреждают о появлении в напряженных зонах конструктивных элементов критических температур («хладноломкости» и Дебаевской), посылая сигнал в исполнительную систему. Последняя переводит термодинамическое состояние материала в безопасную зону.

Внедрение энергетической концепции управления деформированием и разрушением в сочетании с прогнозирующими методами технической диагностики позволит существенно повысить уровень надежности и долговечности вновь создаваемых и реконструируемых инженерных объектов, экономить значительные материальные ресурсы, а также предотвратить потери и потрясения, которые являются неизбежным следствием аварий и катастроф.