Раздел 1 основы технического творчества

Тема 1.1Технические системы

Лекция 1 Понятие о технических системах

Научно-технический прогресс (НТП) – обусловленное действием объективных экономических законов непрерывное совершенствование всех сторон производства, сферы обслуживания, среды пребывания человека на основе развития и использования достижений науки и техники с целью практического решения стоящих перед обществом социальных, экономических и экологических задач, удовлетворения потребностей человека в повышении качества и продолжительности жизни.

Ускорение НТП неразрывно связано с изобретательской деятельностью на основе науки и ее достижений. Прогресс в технике и технологиях опирается, прежде всего, на научные открытия и фундаментальные пионерские изобретения. Но, безусловно, важным является также рационализация производства, которая «шлифует» технологический процесс и сам объект производимой техники «изнутри», в процессе производственной деятельности.

Показателем вклада изобретателей в развитие производства может являться:

- появление принципиально новой продукции, новых материалов или технологий;

- снижение себестоимости выпускаемой ранее продукции, улучшение ее качеств (точности, веса, ресурса, затраты горючего или электроэнергии, улучшения экологических характеристик и др.).

Обобщенным показателем оценки эффективности изобретений может служить экономический эффект, который дает возможность получения дополнительной прибыли как от использования более совершенной продукции или снижения ее себестоимости, так и от более высокой ее конкурентоспособности.

Примером могут служить обычные телевизоры, которые есть теперь в каждом доме, а на рынке каждый год появляются все более совершенные модели (теперь и с 3D эффектами). Раньше телевизоры были черно-белыми, затем появились телевизоры цветного изображения, которые с точки зрения совершенствования технологий телевидения длительное время не изменялись, менялась только конструкция, дизайн, размеры, пока мы не узнали о совершенно новых технологиях цифрового телевидения высокого качества и как развитие этих технологий – абсолютно плоские телевизионные панели. Также, можно рассмотреть и телефонную связь, рассмотреть ее развитие и обратить внимание на то, что сейчас в кармане у практически каждого человека на земле есть носимый телефон. И не просто телефон, а аппарат, который в маленьком корпусе совмещает теперь телефон, факс, радиоприемник, телевизор, камеру, навигатор, а более современные модели вообще заменяют нам персональный компьютер, с его безграничными возможностями.

Все многообразие окружающих и занимающих нас объектов техники можно разделить на технические системы (ТС).

Техническая система – искусственно созданное материальное единство взаимосвязанных элементов, имеющих целью своего функционирования удовлетворение конкретной потребности человека, общества или других технических систем.

Причинами создания ТС являются потребности государства и общества. Поэтому главное, что отличает одну ТС от любой другой – это то, какую потребность она позволяет удовлетворить. Технической системе присущи определенные и заданные функции.

Функция системы – это ее свойство, которое определяется через действие, оказываемое данной системой на внешний, по отношению к ней объект.

Если сравнить между собой две системы, выполняющие одну и ту же функцию, то в общем случае они будут иметь различные значения однотипных показателей. При этом по ряду показателей может доминировать одна система, а по ряду других – вторая.

Сравним две системы с одной и той же функцией, например два самолета. Основная функция любого самолета – по воздуху переместиться из пункта «А» в пункт «Б» и выполнить поставленную задачу, например, перевезти пассажиров из Иркутска в Красноярск. Рассмотрим два самолета и их основные показатели: один с реактивным двигателем (1), другой - с турбовинтовым двигателем (2). Понимая принципиальное отличие данных аппаратов, можно сказать, что самолет (1) долетит до Красноярска гораздо быстрее, полет будет проходить на высоте большей, чем у самолета (2), пассажиры в самолете (2) будут испытывать дискомфорт от повышенного уровня шума и вибраций, по отношению к пассажирам самолета (1). Однако, самолет (2), несмотря на сравнительно низкие приведенные показатели, затратит гораздо меньше топлива, чем самолет (1). Какая из систем лучше в целом? Для обоснования принятия решения в подобных случаях используется интегральное свойство системы – показатель качества.

Показатель качества системы – это ее свойство, значение которого повышается при увеличении положительных и уменьшении отрицательных показателей [Голдовский].

Например, для реактивного пассажирского самолета основным показателем качества во время эксплуатации будет являться его экономичность. Для уменьшения расхода топлива в полете можно принять ряд мер: уменьшить вес самолета за счет применения более легких материалов в конструкции самолета; установить на самолет более экономичные двигатели; изменить конструкцию планера с целью уменьшения сопротивления в полете (повышение качества поверхности обшивки).

В настоящее время созданы современные авиалайнеры, имеющие поразительные характеристики по экономичности полета, грузоподъемности и пассажировместимости, а также комфорту пассажиров уделено большое внимание. Это такие самолеты, как самый большой в мире пассажирский самолет Airbus A380 (изготовлен из алюминиевых сплавов) и самый большой самолет, изготовленный практически полностью из композиционных материалов, Boeing 787 Dreamliner.

Рис. 1. Airbus А380

Рис. 2. Boeing 787 Dreamliner

Не стоит полагать, что в отечественном авиастроении нет достижений, способных конкурировать с мировыми производителями – есть и много. Боевая авиационная техника по многим показателям превосходит все зарубежные аналоги. К таким самолетам можно отнести в первую очередь Су-30 и все его современные модификации, Су-37, МиГ-29, Ту-160, Як-130 и новейшая разработка российских ученых – самолет пятого поколения Т-50, который в скором времени поступит на вооружение ВВС России. Холдинг «Вертолеты России» в настоящее время разрабатывает современные вертолеты, которые по многим показателям качества конкурируют с мировыми лидерами, а по некоторым показателям даже их превосходят. Кроме военной авиации стала в последние годы развиваться гражданская авиация. Примером развития могут служить такие самолеты, как Ту-204, SSJ-100, перспективный самолет МС-21………

В настоящее время ведутся работы по созданию скоростного вертолета. В США фирмы «Bell» и «Boeing», создают конвертоплан, у которого предусмотрен после взлета наклон несущих лопастей в направлении полета, а фирма «Sikorsky» уже испытывает свой скоростной (скорость 450 км/час) вертолет. В России (фирма «ОКБ Камов» и ОКБ Миля) разрабатывают два варианта скоростных вертолетов. Ожидается, что скорость полета вертолета увеличится с 300 до 550 км/час.

Историческая справка:

- один из первых вертолетов (геликоптер) разработан в СССР (ЦАГИ) в 1926 г. Конструктор – Алексей Михайлович Черемухин – выдающийся летчик Первой мировой войны (7 наград, 140 боевых вылетов). Им разработан геликоптер 1-Эа (экспериментальный вариант). Разработанный геликоптер имел успешные полеты, но после аварии проект закрыли. А.М. Черемухин – известен также как автор первой в СССР аэродинамической трубы и методики испытаний геликоптеров на стенде.

- русский инженер Игорь Иванович Сикорский, создавший до революции в России самый мощный самолет своего времени «Илья Муромец», работая в США, предложил наиболее удачную конструкцию вертолета, и с 1938 года открыл эру вертолетов. Фирма И.И. Сикорского доминировала в разработке вертолетов более 30 лет.

Приведенный пример иллюстрирует этапы развития технических систем в ситуации, когда развитие основных показателей привело к обострению противоречий между различными полезными функциями.

Разрешение этих противоречий осуществляется путем специализации, то есть за счет сужения поля функциональности и появления главной полезной функции системы (ГПФ).

«Функциональная ниша» делится при этом на несколько более мелких, каждую из которых занимает специализированный вариант системы. Для самолета ГПФ – скорость. Грузоподъемность и дальность, вертолета – возможность приземления на малой площадке и для самолета вертикального взлета и посадки ГПФ – универсальность по скорости и возможности приземления на малой площадке.

Понятие ТС – относительное понятие, так как в данном случае определение технической системы зависит от масштаба рассмотрения. Например, самолет в полете – ТС, так как функционирует совершенно самостоятельно и неделим. Но самолет в аэропорту – это лишь элемент другой технической системы – ТС «Авиация» - гораздо более крупной системы направленной на решение конкретной задачи – обслуживание пассажиров и доставки грузов.

Лекция 2 Жизненный цикл технической системы

Технические системы, как и любые биологические или социальные системы не вечны: они возникают, переживают периоды становления, расцвета, упадка и, наконец, сменяются другими системами. Техническая система может изменяться путем внутреннего изменения своей структуры.

3

2

Б

а)

А

1

Конфликтный период

Время

2

б)

1

Время

в)

Время

Рис. 3. Графики, иллюстрирующие жизнь ТС в виде роста показателя системы (а), числа изобретений (б) и уровней используемых изобретений (в)

На рис. 1, а [Абовский, Альтшуллер] представлена типичная история жизни технической системы. Точка А на графике – рождение технической системы. Возникнув, техническая система далеко не сразу находит применение, она должна обрасти вспомогательными изобретениями более низкого уровня, чтобы быть осуществленной. После этого происходит быстрый рост показателя системы. Рост показателей системы связан также с вливанием средств, поскольку на этапе 1-2 техническая система, как правило, становится привлекательной для инвестиций. В связи с вливанием средств работа над технической системой активизируется, увеличивается число исполнителей, занятых ею. Рост показателя системы происходит активно до точки 2, в которой потенциал системы практически исчерпан. Но система продолжает жить по инерции и стремится к развитию (интервал 2-3). В это время, как правило, по инерции в систему вкладываются большие средства, призванные вдохнуть в нее вторую жизнь. В это время происходит зарождение новой технической системы Б в недрах старой технической системы А.

Пример. Авиация как система зародилась в начале  века. Первые самолеты – винтовые движители с приводом от двигателя внутреннего сгорания. Активно система развивается в Первую мировую войну и достигает пика технического состояния в конце Второй мировой войны: скорость 800 км/час, высокие маневренность, надежность и огневая мощь, грузоподъемность и т.д. В это время появились первые реактивные двигатели и самолеты, которые изменили ТС «Авиация» через изменение ее внутренней структуры. В конце  века уже существуют самолеты, развивающие скорость полета в 10 скоростей звука, а поршневая авиация имеет ограниченное применение.

Система «Б» близка к точке 3 системы «А». Старая техническая система «А» отстаивает свои позиции, происходит борьба двух систем, конфликт личностей и организаций. В этот момент при развитии технической системы проявляются инерция финансовых интересов и узкопрофессиональных представлений, а также недальновидность менеджмента.

В книге Билла Гейтса автор называет нежелание воспринимать объективно необходимость кардинальных изменений в делах термином «нежелание выслушивать плохие новости», что также сказывается на темпах развития технических систем. Там же приведены примеры того, как нежелание выслушивать плохие новости приводило к краху компаний. Например, после второй мировой войны компания «Douglas Aircraft» далеко опережала компанию «Boeing» со своей серией самолетов DC. Но она оказалась так занята выполнением бесчисленных заказов на винтовую модель DC-7, что не смогла достаточно быстро перейти на более перспективную реактивную тягу. А «Boeing» построила свою 707-модель, не имея ни единого заказчика и опираясь исключительно на предвидение , бросила все силы на продвижение новой модели и выиграла конкурентную борьбу. Сейчас «Douglas» - часть компании «Boeing» , а «Boeing» - мировой лидер авиастроения.

В приведенном примере четко отразилось два основных момента, связанные с рассматриваемой темой. Первый показывает, что успех развития корпораций напрямую увязан с успешной технической политикой, со своевременным переходом на новые технологии и продукцию, а второй отмечает возрастающий темп обновления техники и технологий в современном мире.

Научно-технический прогресс через развитие технических систем можно представить в виде череды графиков, показанных на рис. 1, а. В этом случае получим следующую графическую форму (рис. 2), которую можно назвать «лесенкой прогресса ТС».

Г

В

Б

5

НТП

А

3

4

1

2

Время

Рис. 4. Лесенка прогресса и развития технических систем

На графике рис. 2 показано четыре периода развития системы: А, Б, В, Г. Учитывая, что эволюция любых систем в графическом отображении может соответствовать форме спирали, предполагаем, что выделенная «лесенка» это восходящая линия этой спирали, а период развития одной ТС это виток этой спирали. При этом рост показателя ТС обеспечивается ступенчато (увеличение графика справа), а в основе каждого рывка показателя вверх лежит та или иная новация, изобретение, которые как ступени лестницы позволяют ТС достичь новых высот.

Развитие технической системы иллюстрируется количеством изобретений выполненных для ее развития. За период существования системы, как правило, отмечается два ярко выраженных пика (рис. 1, б) [Альтшуллер]. Первый пик связан с массовым переходом на новую систему (интервал 1-2 на рис. 1, а), второй с попытками реанимировать отработанную техническую систему (интервал 2-3).

Здесь важно при анализе не ошибиться, не спутать пик 1 и 2, а поэтому необходимо оценивать важность изобретения, изучая и сопоставляя его технические характеристики. В зависимости от этапа развития системы имеет место определенная закономерность в распределении изобретений по уровню. На рис. 1, в представлено подобное распределение.

Рождение технической системы – это наиболее высокие уровни изобретательской задачи. При массовом использовании системы наблюдается второй пик уровня изобретений, а затем уже следует необратимое снижение уровня изобретений.

В идеале технические системы могли бы быстрее сменять одна другую. Для этого нужно, чтобы при достижении системой «А» точки 2, осуществлялся переход на систему «Б» (см. рис. 1).

Лекция 3 Законы развития технических систем

Законы развития технических систем (ТС) в настоящее время находятся на стадии разработки, проверки, совершенствования и разделяются на несколько групп. Как сами законы, так и их группы не равноценны по значимости и степени охвата различных особенностей развития ТС, а в группы входят от одного до значительного количества законов. По этой причине большую часть излагаемых законов скорее следует воспринимать как гипотезы, хотя законы первой группы практически можно считать окончательно установленными. Все известные в настоящее время законы можно разделить на следующие группы законов:

1. Законы принципиальной жизнеспособности новой ТС;

2. Законы, определяющие общее направление развития систем;

3. Законы эволюционного развития ТС;

4. Законы перехода ТС на качественно иной уровень;

5. Законы стадийности развития ТС;

6. Закон приоритетности развития ТС.