Разработки ученого-политехника позволяют вести контроль композитов, применяемых в аэрокосмической технике

На центральных магистралях областного центра появились билборды с фотографиями молодых томских ученых: они стали участниками всероссийского марафона «Наука рядом», который проходит в рамках Года науки и технологий в РФ. Основная цель этого проекта – познакомить широкую аудиторию с перспективными исследователями инновационных разработок через цикл их лекций и экскурсий по лабораториям ведущих университетов и научных центров.

На одном из билбордов – на пересечении проспекта Фрунзе и улицы Льва Толстого – размещена информация о старшем научном сотруднике Центра промышленной томографии ТПУ кандидате технических наук Арсении Чулкове.

Видеть невидимое

Молодой ученый занимается исследованиями в области теплового неразрушающего контроля под руководством профессора Вавилова. Ученик Владимира Платоновича Арсений Чулков предложил новый способ контроля композиционных материалов и автоматизированного обнаружения дефектов. Разработанные им роботизированный дефектоскоп и алгоритм на базе нейронных сетей значительно повышают производительность неразрушающих испытаний и снижают вероятность пропуска дефектов.

– Сегодня композиционные материалы широко применяются в аэрокосмической технике благодаря их высокой прочности при относительно низкой массе, что позволяет создавать, например, такие конструкции крыла, которые были бы неэффективными при использовании алюминия. Однако при всех их преимуществах композитам присущи специ­фические дефекты, например ударные повреждения. При этом даже незначительные дефекты могут стать большой проблемой. Вот поэтому нужны эффективные методы обнаружения дефектов на различных стадиях производства и эксплуатации материалов и изделий из композитов. Тепловой метод контроля хорошо для этого подходит в силу своих физических принципов, – объясняет старший научный сотрудник Центра промышленной томографии ТПУ Арсений Чулков.

По мнению молодого исследователя, использование роботизированной аппаратуры позволяет с высокой производительностью и повторяемостью проводить испытания, что особенно актуально при контроле крупногабаритных изделий и деталей сложной формы. – А алгоритм, разработанный на базе нейронных сетей, снижает вероятность пропуска истинных дефектов в материалах, а также выявления ложных дефектов, – продолжает ученый. – Сейчас алгоритм автоматизированного обнаружения скрытых дефектов и определения их параметров проходит лабораторные испытания и готовится к практическому использованию, в частности, на тепловом дефектоскопе, переданном нашему индустриальному партнеру.

В феврале текущего года за разработку метода и аппаратуры теплового неразрушающего контроля композиционных материалов и изделий авиационного, космического и ракетного профиля с использованием роботизированной техники и искусственного интеллекта Арсений Чулков получил национальную премию «Надежда России». Столь престижную награду присуждает Российский союз научных и инженерных общественных объединений (РосСНИО) за высокие достижения пятерке лучших молодых ученых страны в инженерной деятельности по итогам года. Старший научный сотрудник ТПУ стал победителем в номинации «Транспортные и космические системы».

По проторенному пути

Арсений Чулков родился в самом русском городе Казахстана – Лениногорске, нынешнем Риддере. За университетским дипломом выпускник физико-математического лицея отправился в Томск по пути, уже проложенному его родителями и старшим братом. В студенческой столице он поступил на электрофизический факультет ТПУ. С учебой у парня не возникало проблем. На третьем курсе, когда предстояло определяться с темой бакалаврской работы, он выбрал группу профессора Вавилова, которая занималась тепловыми методами контроля.

– Меня взяли на полставки техника, и с 2010 года я стал штатным сотрудником лаборатории теплового контроля, – вспоминает первый опыт работы в научной сфере Арсений.

В этом коллективе он прошел путь от техника до старшего научного сотрудника. Все началось с того, что один из крупнейших заказчиков – Центральный аэродинамический институт им. Н. Е. Жуковского – поставил политехникам большое количество образцов композиционных материалов с ударными повреждениями, и томичам предстояло определить влияние энергии удара на изменения теплофизических характеристик материала, то есть насколько он деградирует от подобных повреждений. Работа была кропотливой – предстояло проанализировать более 200 образцов. Причем по каждому нужно было провести по четыре эксперимента, а в общей сложности выходило более тысячи. После их завершения предстояла еще обработка результатов. Всю эту кропотливую работу поручили аспиранту Чулкову. Общительный по своей натуре молодой человек понял, что может просто утонуть в череде экспериментов, поэтому подключил к ним студентов. Итог совместного труда показал значительную разницу в получаемых результатах – налицо вылез пресловутый человеческий фактор.

– После этого я собрал несколько человек, которые имеют прямое отношение к тепловому контролю, и тех, кто никогда с этой темой не сталкивался. Всем раздал результаты контроля десяти образцов и попросил выполнить одну и ту же процедуру обработки данных. В итоге увидел достаточно большой разброс в показаниях. С этим нужно было что-то делать, вот тогда я и предложил одно из решений своему руководителю, и Владимир Платонович дал добро на дальнейшее исследование, – рассказывает Арсений. – По моему запросу наш программист Денис Нестерук сделал специальный алгоритм, мы начали его опробовать, дорабатывать, и нам удалось существенно снизить разброс данных. После одной из моих зарубежных стажировок я предложил метод обучения искусственных нейронных сетей, с помощью которого мы автоматизировали процедуру обнаружения дефектов и повысили ее повторяемость. И это был уже второй этап работы в рамках моего первого гранта РНФ. Во втором гранте РНФ я сделал акцент на разработку роботизированной аппаратуры теплового контроля, чтобы снизить влияние человеческого фактора не только при обработке данных, но и при их получении.

Лазейка в сети

Справедливости ради стоит сказать, что ранее проводимые эксперименты с нейронными сетями и у нас в России, и за рубежом не принесли ученым особых результатов. Но, утверждает Арсений Чулков, тогда был использован несколько другой подход.

– Например, зарубежные коллеги определяют наличие дефекта по изображению, для чего необходимо проанализировать огромное количество этих изображений и к тому же определить, как выглядит дефект, – поясняет ученый. – Это похоже в чем-то на распознавание объекта на фотографиях. А наш подход основан на анализе динамики температуры: в каждом пикселе изображений теплового поля объекта контроля можно построить график температуры и проанализировать, как она изменяется во времени. Поскольку температура дефектных и бездефектных зон изменяется по-разному, это легло в основу разработки алгоритма обучения нейронной сети, который доказал свою эффективность. Мы смогли в автоматизированном режиме обнаруживать дефекты и, более того, определять их параметры, например, если в материале имеется расслоение, то можно определить, на какой глубине оно расположено.

Командная работа

Несмотря на молодость, в научной копилке Арсения Чулкова два гранта РНФ, грант РФФИ и стипендии президента РФ. Кроме них на счету исследователя множество других достижений. Самой первой и потому памятной стала победа в конкурсе «У.М.Н.И.К.» за разработку теплового дефектоскопа для контроля коррозии. Потом были престижные награды в конкурсе разработок молодых ученых U-NOVUS в Томске, всероссийском конкурсе «Золотые имена высшей школы», авторитетная премия от РосСНИО и, наконец, нагрудный знак «Молодой ученый» от Минобрнауки.

Конечно, за этими наградами стоит напряженный труд как самого исследователя, так и его коллег. В научной группе под руководством профессора Вавилова идеально сочетаются мудрость и опыт маститых ученых со смелостью идей молодежи.

– У нас в команде подобраны сильные специалисты, с некоторыми я работаю особенно плотно. А в исследования в рамках гранта РФФИ вообще вся группа вовлечена, – констатирует Чулков. – Да, порой приходится нелегко, ведь нужно еще находить время на семью.

У молодого отца подрастают два малыша. И пусть 1,5-годовалому Роману пока хватает маминой любви и заботы, а вот пятилетнему Демиду мужское воспитание, конечно же, необходимо.

– Демид у нас любитель богатырей, он ходит на карате, уже завоевал две золотые медали на соревнованиях. Такой боевой мальчишка растет, – с удовольствием рассказывает о наследнике молодой отец.

Пока Чулков-старший не задумывается над тем, по какому пути пойдут его сыновья. Но утверждает, что от науки отговаривать точно не будет – уж слишком интересное это занятие. Правда, для этого нужны специфические черты характера. Какие?

– Однозначно, трудолюбие, упорство – порой результат не сразу проявляется, к нему нужно идти и идти, используя различные подходы. Ну и, конечно, необходимы живой интерес, доля творчества и полет мысли, – отвечает Арсений.

По его мнению, в научной работе важен еще один фактор – свобода выбора направления исследований.

– Если говорить про наш тепловой неразрушающий контроль, то исследователь может выбрать, на что сделать акцент: сейчас у нас есть множество идей как по разработке новых дефектоскопов, так и по разработке методов контроля. Когда приходит светлая идея, заряжаешь ею коллег и сам с головой погружаешься в работу, – поясняет ученый.

Арсений Чулков мечтает о том, чтобы научные достижения молодых исследователей были не просто отмечены наградами, а чтобы они активно внедрялись в производство, тем самым приносили реальную пользу стране и миру. Например, чтобы люди летали на надежных самолетах.

Автор: Татьяна Александрова