ИГА-1. С чего все начиналось

Юрий Кравченко

Предыстория

Для того чтобы объяснить процесс и историю создания прибора ИГА-1, надо немного рассказать о своей теоретической и экспериментальной подготовке по линии электроники.

Электроникой начал увлекаться с детства, еще в 6 классе записался в радиокружок, начинал с детекторного приемника. Делал приемники и передатчики, работал в эфире как радиолюбитель, пришлось освоить и азбуку Морзе. Освоению схем радиоаппаратуры и другой электронной техники в 60-90 годы прошлого века способствовало плохое состояние сервиса по ремонту аппаратуры в нашей стране, и обычно всю электронику родственникам и знакомым налаживали радиолюбители. (Последний раз занимался ремонтом цветных телевизоров в начале 90 годов, работая в авиауниверситете, когда нам по бартеру пришел вагон телевизоров из Львова, и часть из них были неисправны, мы эти телевизоры получали в качестве зарплаты - такое было время).

В дальнейшем изучал электронику в авиатехникуме и авиаинституте на специальности авиаприборостроение. Однако чисто электронных приборов на самолетах тогда было мало (радиокомпас, радиовысотомер, доплеровский измеритель скорости), большинство приборов работало на пневматическом, гидравлическом, инерциальном (гироскопы) принципе, но нам давали хорошую подготовку по всем известным методам измерений физических величин.

Первые 10 лет работал по системам управления газотурбинных двигателей крылатых ракет Базальт и Гранит в 70-е годы. В этот период в авиадвигателестроении переводили гидравлические системы управления на электронные (аналогично как в автомобилях с карбюратора переходили на инжекторное питание, управляемое электронной схемой). Переход на электронику давал уменьшение расхода топлива и многие новые возможности. Например, двигатель ракеты Гранит с гидравлическим управлением запускался и выходил на заданные обороты за минуту, а с электроникой за 10 сек, что обеспечивало подводный запуск ракеты - двигатель запускался, пока выброшенная из лодки пороховым зарядом ракета еще не упала назад в воду. Работа по управлению двигателем требовала использования схемотехники, обладающей повышенной надежностью, вначале использовались схемы с магнитными усилителями, потом перешли на аналоговые микросхемы. Очень много приходилось уделять внимания взаимодействию датчиков и измерительных схем в реальных условиях работы с учетом влияния различных наводок от других приборов и по электропитанию.

Вообще разработка схемотехники для работы на самолете требует очень большого объема экспериментальных работ в реальных условиях, и часто все зависит не от оригинальности и новизны схемы, а сколько времени и средств ушло на ее доводку. Например, по запуску двигателя Гранита мы в течение 6 месяцев перепробовали на практике несколько схем, предложенных нашими профессорами, при этом сожгли, наверное, железнодорожный состав керосина, и ничего не получалось, последняя схема, может быть и не самая лучшая пошла, когда я в этом приборе перепаял шины питания всех плат с последовательного на радиальное включение - сутки расплетал провода. Больше мы уже экспериментировать не могли, первый крейсер с этим вооружением и лодка нового поколения через месяц должны были выйти в море (в настоящее время крейсер продан китайцам и используется как развлекательное заведение)[1].

Тут хотелось бы отметить и еще один факт своей биографии, без которого прибор ИГА-1 скорее остался бы в единственном лабораторном исполнении и был бы ни кому не известным. После того как у нас получилась схема запуска двигателя ракеты Гранит, надо было, чтобы кто-то стал выпускать подобную аппаратуру. Но чтобы начать производство новых приборов в военной области, нужно пройти большой этап согласований технического задания, алгоритмов управления, провести подготовку производства, что позволяло выпустить официально первый такой прибор только через год. К тому же производители подобных приборов были настроены очень консервативно и не верили,
что такой двигатель с массой ротора 2 тонны можно запускать за 10 сек, но конечно и боялись, что такая резвая раскрутка будет приводить к авариям, все сидели и ждали, когда мы на своем испытательном стенде наконец-то взлетим на воздух, и их оставят в покое. Поэтому не очень хотели браться за это дело. И тут меня вызвали к руководству и предложили начать производство приборов неофициально. Конечно, в тот момент все это было противозаконно и даже преступно, но новая лодка и крейсер должны были выйти в море и отстреляться в заданный срок, это была сверхзадача. Шел 1975 г., постоянно судили подпольных изготовителей обуви и одежды. А тут все еще это по военной линии, и неудачный эффект мог привести к большим неприятностям, т.е. надо было взять на себя большую ответственность. Но в 28 лет все задачи кажутся по плечу, и я согласился.

Посоветовавшись с опытными производственниками, я разделил прибор на отдельные составные части, которые было проще изготовить на разных уфимских заводах, в финансовом плане трудностей не было никаких, денег никто не жалел, а если тогда можно было дать людям дополнительно заработать, они творили чудеса. В результате первый прибор вышел через месяц, и его нельзя было отличить даже и по внешнему виду от настоящего – со всеми шильдиками и клеймением, а также и провели военную приемку на двигателе. Т.е. мне еще в 1975г. (!) дали возможность организовать подпольный кооператив. Такое производство мы вели полгода, потом все-таки производителей приборов заставили заняться выпуском данного прибора. Этот опыт очень помог, когда в 1993 г. остался без работы, начать производство приборов ИГА-1. (Недавно по Рен-ТВ Игорь Прокопенко вел передачу по ракете Гранит, оказывается до сих пор она лучшая в своем классе).

Потом я вдруг увлекся программированием, математическим моделированием, появились вычислительные машины ЕС, занимавшие целый зал, лет пять работал по данному профилю, в двигателестроении тогда пытались перевести электронику на управление от бортовой ЦВМ. Пришлось изучить цифровую обработку сигналов, ввод в ЦВМ, программирование на ассемблере. Впоследствии это направление не пошло, и слава Богу: цифровая техника имеет более слабую надежность и больше зависит от помех, что недопустимо при управлении силовой установкой. Хотя была разработана специальная более надежная ЦВМ, и даже построен под нее новый заводской корпус, который до сих пор стоит пустой недалеко от моего дома. Правда в тот период были и более бредовые идеи, например, поставить на самолет атомный двигатель.

Получив хорошую подготовку по программированию бортовых компьютеров, я получил предложение перейти на работы по выпуску аппаратуры навигации и управления оружием для самолетов ТУ-22, Ту-95, ТУ-160. В каждом самолете до десятка ЦВМ, они обмениваются информацией между собой и различными приборами, а также с вычислителями ракет в барабане. В тот период (80 годы) шла гонка вооружений, тяжелые бомбардировщики с грузом ракет постоянно летали к берегам Америки.

Меня взяли на работу в связи с расширением производства ТУ-95 и ТУ-22, развертывались три новых авиаполка - в Казахстане, под Киевом, и в Чечне (под командованием генерала Дудаева). Здесь пришлось изучить и различные методы навигации и наведения. Если, например, сравнить военный самолет с гражданской «Тушкой» - там, где сидят пассажиры, весь салон уставлен приборами, и все они работают вместе и обмениваются информацией, перед установкой на самолеты все это собиралось и отрабатывалось в Уфе в наземных условиях. Около 10 лет работа была связана с обнаружением различных неисправностей в системах навигации и вооружения при производстве и эксплуатации этих самолетов. Но это не то, чтобы что-то сгорело в приборе и не работает - такие вещи обычно до самолета не доходят. Речь идет о неисправностях, связанных с взаимодействием и взаимовлиянием различных приборов между собой и с программным обеспечением бортовых компьютеров, т.е. даже если самолеты такого типа летают уже 20 лет, может случиться, что по отдельности различные приборы и цифровой вычислитель работают, а в комплексе возникают неисправности. В приборах навигации я впервые столкнулся и хорошо разобрался с фазовым детектированием, которое использовалось в радиотехнической системе дальней навигации с маяками «Лоран» (прообраз нынешней GPS) и доплеровском измерителе скорости (в нем, кстати, был и импульсный фильтр, что впоследствии я применил в схеме прибора ИГА-1).

В конце 80-х годов мне предложили заняться научной работой на кафедре «Технология машиностроения» в авиауниверситете по разработке приборов и методов неразрушаемого контроля металлов. Вначале мне эта тематика показалась простой и неинтересной по сравнению с тем, чем раньше занимался. Первый год работал по совместительству, потом на кафедре организовали еще и научный кооператив, обеспечивший более высокую зарплату сотрудникам, тогда уже полностью занялся этими проблемами. Вначале мне предложили разработать приборы по исследованию режущих пластин из твердого сплава методами хемилюминесценции и по теплопроводности металла, и такие приборы получились, но остались на кафедре в единичном исполнении для лабораторных работ и диссертационных исследований - до промышленного исполнения дело не дошло.

Следующая тема была значительно интересней – разработать прибор для бесконтактного исследования износостойкости металлов по фиксации «энергии Ферми» или работе выхода электрона. Этот прибор получился, даже небольшое количество таких приборов было продано на авиазаводы, и он как раз послужил прообразом прибора ИГА-1 [1].

Метод неразрушающего контроля

Про торсионные поля мы тогда (1990 г.) еще не знали, но и в мировой и отечественной литературе отсутствовали и примеры ре­гистрации электромагнитных полей, излучаемых пассивными объектами искусственного происхождения; тем не менее, в классической физике при объяснении термоэлектронной эмиссии говорится об облачке свободных электронов вокруг металлического катода, возникающем при его разогреве. При комнатных температурах число свободных электронов ничтожно мало и термоэлектронная эмиссия практически отсутствует. Однако оказалось, даже это не­большое число свободных электронов, вылетающих с поверхности металла, можно зарегистрировать. Для этого объект исследования - металлическую плас­тинку - я поместил в экранированную камеру и фиксировал на расстоянии 100 - 500 микрон от приемного электрода, выполненного в виде диска из меди или латуни. Второй приемный электрод, соединенный с корпусом прибора, накладывался на измеряемую пластинку.

Таким образом, измеряемая плас­тинка оказывается включенной между приемными электродами, и свободные электроны металла пластинки наводят на электродах напряжение величиной несколько пиковольт широкого частотного спектра, которое я затем пытался зафиксировать вначале стандартными измерителями полей типа «Unipan», используемых при радиоизмерениях. Потом мне в руки попал полученный через Военную академию им. Жуковского подобный американский прибор для контроля лопаток газотурбинных двигателей, он представлял собой измеритель электростатического потенциала на одной аналоговой микросхеме. При этом он имел дисковую полированную антенну размером с 3 копейки 1990 г. От него я и оттолкнулся.

Попробовал несколько схем усилителей для измерения электростатики. У меня были пластинки твердого сплава, отсортированные по износостойкости известными механическими методами, которые имели структурные изменениях кристаллической решетки материала, связанных с его технологической обработкой. Надо было разработать прибор, который сможет определять степень износостойкости без механического воздействия, фиксируя количество свободных электронов над поверхностью металла (чем лучше кристаллическая решетка, тем меньше свободных электронов). Однако получить устойчивый результат, используя электростатические усилители, не получалось. И тогда пришло решение поставить на вход усилителя коммутатор, что привело к корреляции показаний прибора с износостойкостью [2 - 4].

Рис.  1. Первый переход от схем электростатического контроля к электромагнитному принципу (выдержки из патентов [2] и [3]).

Излучения металлов фиксируются на небольшом расстоянии (до 500 микрон) от объекта из­мерений. По износостойкости у меня тогда корреляция получилась.

И была поставлена новая задача: производить идентификацию измеряемого металла, то есть установление того факта, относится ли исследуемый материал к одному из известных, для которых на базе предварительных экспериментальных данных произведено соответствую­щее ранжирование (систематизация) по спектру регистририруемых ха­рактеристик (например, в рентгеноструктурном анализе по наличию той или иной линии в спектре вторичного рентгеновского излучения судят об исследуемом объекте - его составе или состоянии, например выделение различных химических или фазовых составляющих). Это тоже удалось отработать, меняя частоту коммутации и строя фазочастотные характеристики в зависимости от частоты коммутации.

Так как излучение металлических поверхностей фиксируется на небольшом расстоянии от объекта измерений, то построение фазовых по­верхностей являлось нецелесообразным из-за трудности обеспечения таких малых перемещений с требуемой дискретностью. Поэтому в ка­честве выходного сигнала использовался интеграл фазового сдвига измеренного излучения, накопленный за определенное время. Это удалось получить, меняя частоту коммутации (это мне пришло во сне). Произво­дя измерения при различных частотах настройки прибора - меняя настройку, можно снимать зависимость интеграла фазового сдвига исследуемого металла от частоты настройки, выполняя при этом фазочастот­ный спектральный анализ, по которому можно судить о химическом составе и структурных изменениях кристаллической решетки материала, связанных с его технологической обработкой.

По металлам я поймал эффект именно при селекции по частоте приема, т.е. снимал частотные характеристики от 5 до 15 кгц, и их зарисовывал в виде графиков. Были частоты, на которых не было никакого отклика, и иногда в очень узком спектре (десятки Гц) появлялся сигнал, я его фиксировал цифровой индикацией за определенное время, например, за 5 сек, и останавливал индикацию, т.е. показания зависели от скорости перемещения стрелки. По анализу этих кривых мы проводили корреляцию с износостойкостью металла одной марки, и разбирали его по сортам, можно было даже отобрать металлы с одной плавкой и термообработкой.

Таблица 1. Результаты замеров сплава МЛ10

Рис.  2. Результаты замеров сплава МЛ10.

Таблица 2. Результаты замеров сплава МЛ5

Рис.  3. Результаты замеров сплава МЛ5.

По результатам этих замеров были построены графики зависимости сдвига по фазе от частоты. Анализируя этот график, видно, что графики для сплава МЛ5 и МЛ10 имеют существенное различие прак­тически по всем частотам, задаваемым базовым генератором. Наибольшее различие электромагнитного излучения этих сплавов было на частотах от 8.00 до 10.00 кГц, которые и можно принять за рабочие частоты.

По этим результатам показана принципиальная возможность использования прибора для определения марки авиационных литейных сплавов на основе магния экспресс-методом.

Таблица 3. Результаты исследований литейных сплавов типа Силумин

Рис.  4. Результаты исследований литейных сплавов типа Силумин.

По результатам этих замеров были построены графики зависимости сдвига по фазе от частоты, которые представлены на Рис.  4. Анализируя полученные результаты видно, что графики для исследованных сплавов имеют существенное различие практически по всем частотам, задаваемым базовым генератором. Наибольшее различие электромагнитного излучения этих сплавов на частотах от 4.00 до 7.00 кГц, которые и можно принять как рабочие частоты.

Таким образом, показана принципиальная возможность использования прибора для определения марки сплава на основе алюминия экспресс-методом.

Определение качества полимеров, используемых при производстве полиэтиленовых газопроводов

Для определения качества полимеров были взяты пять новых образцов и пять образцов ранее используемых (подвергшихся процессу старения). Образцы имели высоту 5 мм и диаметр 3 мм. Результаты измерений, проведенных на приборе, занесены в таблицу 3.

Таблица 3. Результаты исследований полимеров.

Рис.  5. Результаты исследований полимеров.

Результаты исследования материала "Аллоплант"

Во Всероссийском центре глазной и пластической хирургии был разработан и внедрен в практику новый аллотрансплантационный материал "Аллоплант", который при пересадке в человеческий организм, выполняя роль временного каркаса, стимулирует регенерацию нормальных тканей реципиента.

В настоящее время аллоплант широко вошел в практику. С его применением сделано уже более пяти миллиона операций, он внедрен в 150 клиниках России и более чем в 20 странах мира. Налажено его серийное производство.

На сегодняшний день нет оценки качества аллопланта в зависимости от времени его хранения и обработки. Для определения степени пригодности аллопланта проведены эксперименты на приборе. Работа проводилась в начале 90-х годов совместно с сотрудниками клиники Мулдашева Э.Р., которые пришли к нам в УГАТУ и сказали, что Эрнст Мулдашев видит дальнейшее развитие своих технологий в использовании принципов биоэнергетики[2].

Аллоплант был представлен в виде порошка, запечатанного в стеклянные капсулы. Исследования проводились на трех видах материалов:

 1 - исходный материал, предназначенный для стерилизации;

 2 - материал после стерилизации, применяемый при пересадке;

 3 - материал со сроком хранения 5 лет.

Эксперименты проводились на частотах 3, 4, 5, 6 и 8 кГц. Сравнительная оценка результатов N (достижение максимального отклонения за заданный промежуток времени) показывает, что исходный материал имеет максимальное отрицательное отклонение при частоте 6 кГц, равное -4. Материал 1 после стерилизации при этой же частоте имеет характеристику +3. Материал после 5 лет хранения имеет отклонение во всем диапазоне частот +1.

Таблица 4. Результаты исследований аллопланта.

Рис.  6. Результаты исследований аллопланта.

Таким образом, проведенная работа позволяет сделать предварительный вывод, что данный метод может быть использован для оценки качества материала аллоплант.

В результате была показана принципиальная возможность применения нового неразрушающего метода контроля качества различных материалов по сверхслабым полям на поверхности материала.

На образцах из алюминиевых сплавов показана возможность определения близких по химическому составу материалов. Возможно, применение метода как экспресс-анализа для установления марок материалов.

Предложенный метод может быть использован для определения степени старения полимерных и органических материалов, что позволяет научно-обоснованно определять время их качественного использования.

Разработанная на этом принципе аппаратура для контроля твердосплавных режущих пластин была внедрена на ряде предприятий.

Она предназначалась для сортировки мелкоразмерных деталей по группам ресурса и износостойкости, разбраковки и контроля качества изготовления (включая термообработку). Принцип действия прибора основан на регистра­ции собственных излучений измеряемого объекта, связан­ных с колебаниями свободных электронов кристаллической решетки исследуе­мого материала.

Регистрация осуществляется интегрально по всей поверхности. Образец (пластина, инструмент и др.) помещается между обкладками измеритель­ного конденсатора, сигнал с которого усиливается высокочувствительным резонансным усилителем поля, и на каждой конкретной частоте настройки определяется величина, пропорциональная количеству свободных электронов на поверхности металла со снятием частотной характеристики.

Обеспечивается повышение надежности контроля по сравнению с анало­гами в 1,9-2,1 раза, выделение 3-5 групп деталей по характеристикам ресурса и износостойкости. Прибор и методика могут использоваться в исследовательской практике, в том числе для косвенной оценки уровня Ферми, а также в производстве в качестве нового метода неразрушаемого контроля.

Кроме того, проводились исследования по возможности контроля этим методом цветных металлов, керамики электроизоляционных материалов, а также конструкционных материа­лов, используемых в авиадвигателестроении, в качестве метода нераз­рушаемого контроля, проводились работы, связанные с внедрением метода для контроля литейных сплавов, применяемых в автомобилестроении. Эти исследования подтвердили возможность создания аппаратуры для рабо­ты в указанных областях применения.

Схема

Перепробовав различные схемы прибора, я остановился на схеме из учебника Гутникова. Меня часто люди просили дать схему ИГА-1, а когда ее получали, то говорили - она же из учебника. Но как я писал вначале главы, здесь, как и в авиадвигателях, главной оказалась не сама схемотехника, а ее доводка под данное применение. Эта схема представляет из себя усилитель МДМ-модулятор-демодулятор, в основном используется для точных измерений слабых потенциалов, например сигнала термопар. Но еще учась в техникуме, а потом в институте, я запомнил, что усилители МДМ имеют помехи на тактовой частоте, и вот в своей схеме я эту помеху использую как полезный сигнал. Конечно, схему пришлось немного доработать, был добавлен еще один каскад усиления, и весь усилитель охвачен обратной связью через конденсатор (внешний интегратор). Учитывая то, что в схеме уже был один внутренний интегратор, по теории авторегулирования эта схема близка к генераторной и работает на границе устойчивости, обеспечивающей максимальное усиление, как регенеративные радиоприемники 40-50 годов прошлого века.

Рис.  7. Схема из книги «Интегральная электроника в измерительных устройствах» В.С.Гутникова.

Сама схема построена на классических радиоэлементах и представляет радиоприемное устройство сверх слабых полей в диапазоне 5-10 кГц, но его построение (функциональная схема), а также не совсем обычная форма и конструкция антенны для данного диапазона частот, возможно, позволяет фиксировать и торсионную компоненту, т.е. антенна скорее всего является датчиком торсионного поля.

Чувствительность устройства существенно возрастала в случае полировки антенны-приемного электрода.

Работая в авиаинституте по исследованию металлов, я также замечал, что есть реакция антенны на свет, потом пробовал светить лазером и от генератора КВЧ, но реакции не было. Первое время я антенну даже закрашивал краской, а потом применили бесцветный лак. Впоследствии при отладке и использования прибора ИГА-1 для подземной разведки был как-то случай, что казалось, что прибор реагирует на сол