Шов Патона против немецких танков, сварка в космосе и у хирургов. Самые знаменитые достижения Бориса Патона

Не стало Бориса Патона

19 августа 2020 года перестало биться сердце Бориса Евеньевича Патона – одного из последних представителей плеяды великих украинских учёных советского периода. Многие его изобретения уже оказали непосредственное влияние на мировую историю.

Другим, возможно, лишь предстоит мировая известность.

Расскажем лишь о наиболее важных из них.

Как Патоны немецкие танки победили

Научную карьеру Борис Патон начинал под началом своего отца - академика Евгения Оскаровича Патона, директора и основателя Института электросварки.

Значение электросварки для тогдашней (да и современной) промышленности сложно переоценить: можно ли представить себе более надёжный способ соединения двух металлических деталей, чем их слияние в одно целое?

Однако классическая электросварка с помощью углеродного электрода (изобретённая, кстати, уроженцем Херсонской губернии Российской империи Николаем Бенардосом) была достаточно сложным и трудоёмким процессом. В идеале он нуждался в автоматизации, однако углеродная дуга была крайне нестабильной и требовала постоянного внимания высококвалифицированного специалиста-сварщика.

Одна ошибка – и в шве возникают дефекты, сильно снижающие его прочность.

Выход нашли в применении другой технологии: так называемой сварки под флюсом, открытой Николаем Славяновым. Идея заключалась в том, что само пространство, в котором горит дуговой разряд и происходит сварка (сварочную камеру), изолируют от окружающей среды слоем флюса – вещества, препятствующего выходу паров металла наружу, а также попаданию внутрь воздуха и других "посторонних" веществ.

В результате процесс сварки становится более устойчивым и управляемым. Открывается возможность его автоматизации, что могло позволить колоссально увеличить производительность сварочных аппаратов.

Именно этой проблемой занимался основанный отцом Бориса Патона Институт сварки в Киеве. Именно на этом поприще молодому инженеру предстояло сделать свои первые шаги.

Доводить до ума технологию приходилось в буквальном смысле в военных условиях: впервые автоматическая сварка по технологии Евгения Патона была применена в промышленных масштабах в Нижнем Тагиле, куда Институт электросварки эвакуировали с началом войны.

Сварочные установки Евгения Патона стали настоящим прорывом: во-первых, производительность труда существенно возрастала, во-вторых, снижались требования к квалификации сварщиков, что было немаловажно в условиях войны, когда на военных заводах нередко приходилось работать даже детям.

Примечательно, что в нацистской германии технологию автоматизированной сварки освоить так и не смогли. Именно поэтому – среди прочего – так и не удалось наладить действительно массовое производство своих грозных "Тигров" и "Пантер": изучение "взятых в плен" после битвы на Курской дуге немецких танков показало, что все швы на них были сделаны вручную.

Однако у автоматизированной сварки патоновским методом был недостаток: получаемые в результате швы оказывались крайне хрупкими.

Как известно, сталь представляет собой сплав железа с другими веществами, в первую очередь, с углеродом. Чем больше в стали углерода, тем она твёрже, но и хрупче. Чем меньше – чем сталь более мягкая и вязкая. Для качественной танковой брони необходимо вполне конкретное содержание в стали углерода, чтобы снаряды не могли её ни прогнуть, ни разбить. Однако в сварочном шве углерода было куда больше, чем надо. В итоге шов трескался даже от сравнительно незначительных повреждений.

Решение этой проблемы стало одним из первых "больших" изобретений Бориса Патона и его коллег, и оно было просто, как и всё гениальное: в щель между свариваемыми пластинами вставляли проволоку из стали с пониженным (относительно брони) содержанием углерода. В результате в парах металла в сварочной камере, а значит, и в готовом шве, углерода оказывается ровно столько, сколько нужно.

Вторая мировая и Великая Отечественная война во многом были не только битвой солдат, но и битвой научных умов. И в этом смысле Борис и Евгений Патоны внесли в победу нашего народа в той войне огромный вклад.

Евгений Патон и его сын сыграли одну из ключевых ролей в Великой Победе

"Русская сварка"

Автоматическая сварка под флюсом стала прорывной технологией для своего времени. Однако она не совсем годилась для ряда задач – например, сварки металлических деталей большой толщины, используемых в строительстве и других подобных работах.

Проблему в Институте сварки решили с помощью разработки принципиально новой технологии: электрошлаковой сварки.

Работает это так. В зазор между двумя свариваемыми деталями помещают слой флюса, через который пропускают электрический ток. Под его действием флюс (шлак) плавится, формируя так называемую шлаковую ванну. Расплавленный шлак нагревает, а затем плавит прилегающие поверхности.

В шлаковой ванне образуется смесь расплавленного металла и шлака. Но так как состав шлака-флюса специально подбирается так, чтобы расплав был легче расплава металла, шлак всплывает вверх, приходя в соприкосновение со следующим слоем металла. Оставшийся под шлаковой ванной металл по мере подъёма шлаковой ванны остывает и твердеет.

Так как этот процесс идёт более медленно, чем при классической электродной сварке, шов получается более однородным и прочным. Кроме того, как уже говорилось выше, за один проход можно сваривать детали почти любой толщины (до полутора метров). К сожалению (как, надеюсь, ясно из предыдущего описания) такой способ подходит лишь для вертикальных швов.

На международной выставке в Брюсселе в 1958 году этот вид сварки был отмечен большой золотой медалью "Гран-при" и получил неофициальное название "Русская сварка".

Данный метод нашёл широкое применение по всему миру: в США с его помощью построены многие знаменитые небоскрёбы, а в СССР она использовалась при строительстве мостов – первым в этом роде стал знаменитый мост Патона в Киеве, одновременно ставший и первым цельносварным мостом в мире.

Сварка на орбите

После смерти Евгения Патона в 1953 году, Институт сварки, названный в честь своего основателя, возглавил Борис Патон. Среди прочих задач, которые пришлось решать учреждению под его руководством, была разработка систем сварки в космическом пространстве, где обычные методы соединения металлических изделий не работали из-за вакуума, отсутствия силы тяжести и резких колебаниях температур.

Проблему решили путём применения технологии электронно-лучевой обработки металла, разработанную в Московском энергетическом институте в 1958-м. Идея заключается в том, что металл нагревают, облучая мощным фокусированным пучком электронов до температуры его плавления и испарения. В результате получаются очень тонкие, как их ещё называют, кинжальные швы с глубоким проплавлением металла.

В атмосфере Земли такая сварка невозможна: молекулы воздуха поглотят электроны и нарушат электронный пучок. Космический вакуум, являющийся проблемой для обычных методов сварки на орбите, открывает возможность применения этой технологии.

В октябре 1969 во время космического полёта корабля "Союз-6" впервые сварили металлические детали с помощью разработанного Институтом Патона аппарата "Вулкан". А в 1984 году космонавтами Светланой Савицкой и Владимиром Джанибековым была проведена первая в истории операция по сварке в космическом пространстве. В неё использовался сварочный аппарат УРИ, также разработанный институтом Патона.

Хирургическая сварка

Одним из последних изобретений Патона, к сожалению, не слишком известных сегодня, является электросварка мягких тканей при хирургических операциях.

При любой такой операции ткани требуется разрезать, а затем соединить снова, чтобы они могли срастись. Обычно для этого используют сторонние материалы, такие как нитки или скобки, но это не всегда удобно.

Организм не лучшим образом реагирует на чужеродные предметы, создаются риски нарушения кровоснабжения (нити и скобки передавливают или смещают мелкие кровеносные сосуды), нити становятся каналами миграции болезнетворных микроорганизмов, могут возникать аллергические реакции, спайки и т.п. Все это приводит к образованию, в частности, послеоперационных швов – не слишком эстетичных, а иногда и мешающих нормальному функционированию прооперированного органа.

Поиск способов бесшовного сшивания тканей на протяжении многих лет является одним из важных направлений медицинской науки. И Борис Патон предложил оригинальный и весьма перспективный способ решения этой проблемы.

В основу положен эффект так называемой биполярной коагуляции. Если через сжатые между собой края разрезанной ткани пропустить электрический ток высокой частоты, то ткани, по которым он течёт, начинают нагреваться. Белки, из которых состоит эта ткань, представляют собой сложным образом сплетённые молекулярные клубки, и в этих условиях они начинают раскручиваться – денатурировать.

Если затем внешнее воздействие убрать, то процесс поворачивается вспять – происходит ренатурация. В результате распустившиеся, а затем снова "скрутившиеся" белковые клубки перепутываются друг с другом, соединяясь в одно целое. Таким образом, соединение тканей происходит без внесения в них посторонних предметов.

Технология проста: с двух концов сшиваемого участка закрепляют электроды, после чего по нему пропускают электрический ток. Когда сварка тканей закончится, электроды переносят на следующий участок.

В 1992-1993 годах эксперименты на животных (крысах, кроликах и свиньях) показали принципиальную эффективность данного способа сращения тканей. В 2000 году электросварка тканей была применена при операции на желудке в Центральном клиническом госпитале СБУ.

Впоследствии экспериментальные операции были проведены для сварки желчного пузыря, желчных протоков, толстой и тонкой кишки, маточных труб, матки, брюшины, кожи, подкожной клетчатки.

В настоящее время технология хирургической электросварки активно применяется в Украине, России и Белоруссии: всего проведено более 80 тысяч различных операций с её применением. Выражали заинтересованность в ней и западные специалисты, например, в США и Израиле. Однако там пока шире применяется несколько иной метод – лазерная сварка с использованием присадочного белка, по мнению отечественных учёных, несколько менее эффективная и более сложная.

После Патона

Смерть Бориса Патона с новой актуальностью ставит перед Украиной уже давно назревший вопрос: сумеет ли наша страна сохранить и умножить научные достижения в сфере, где мы по праву до сих пор можем считать себя одними из мировых лидеров?

По состоянию на 2020 год в Институте Патона работали 634 сотрудника, более половины из которых были старше 60 лет. За последние 15 лет финансирование института сократилось почти вдвое (с 56 до 33 миллионов гривен в год). При этом около 80% этих средств уходят на зарплату, ещё 10,5% — на оплату коммунальных услуг. На приобретение материалов и оборудования, а также на другие затраты, связанные с проведением научно-исследовательских работ, остаётся менее 5%. Чтобы выживать, институт вынужден активно сдавать помещения в аренду коммерческим структурам.

Раньше у института были собственные производственные мощности, которые – в теории – могли бы приносить предприятию неплохой доход.

К примеру, продукция акционерного общества "Опытный завод сварочного оборудования Института электросварки им. Е. О. Патона" довольно успешно реализует свою продукцию на рынке, получая около 5 миллионов дохода ежегодно.

Правда, предприятие находится преимущественно в частных руках: около 40% акций через офшорные компании принадлежат сыну председателя правления завода Анатолию Степахно, ещё около 15% - дочери экс-депутата Киевсовета Александра Лойфенфельда — Инне Лойфенфельд. Еще 24,4% акций завода принадлежит НАН Украины.

Из-за недостатка денежных средств Институт Патона переведён на четырёхдневку – и всё это на фоне непрекращающихся разговоров правителей страны о необходимости развития высокотехнологичных производств и отраслей.

После смерти бессменного руководителя, являвшегося самым авторитетным учёным страны, вопрос о дальнейшем развитии или хотя бы выживании научного направления, в котором наша страна все еще является мировым лидером, становится чрезвычайно остро.