В.М. Бродянский, Ю.М. Синявский.
Основы методики проектирования криогенных установок
1.3. Факторы, определяющие необходимость и возможность разработки новой технической системы
Первым шагом в установлении факторов, определяющих необходимость появления новой технической системы, должно быть определение того, какой технический объект – машину, аппарат, установку или комплекс, нужно считать новым, а какой «старым».
Совершенно очевидно, что главное здесь не в возрасте сроке, прошедшем с того времени, когда данное техническое устройство появилось. Существуют многие создания технической мысли, которые несмотря на солидный возраст находятся на вполне современном уровне [Классическим примером может служить колонна двойной ректификации воздуха, изобретенная К. Линде в 1907 г.; без существенные принципиальных изменений она работает в самых совершенных современных установках.]; но есть и такие, которые устарели еще в процессе проектирования. Точно так же едва ли можно признать новым технический объект, хоть и основанный на каком-либо новом принципе и отличающийся небывалой конструкцией, но уступающий существующим образцам техники того же самого назначения по своим технико-экономическим показателям.
Чем же характеризуется новый технический объект?
Здесь возможны три случая.
1. Новый объект позволяет получить технический результат, не достигаемый посредством устройств, существовавших ранее (например, радиоприемник А. С. Попова, с помощью которого была впервые произведена передача сигнала без проводов, или первый сверхзвуковой самолет, гелиевый ожижитель Камерлинг-Оннеса, сверхпроводящий накопитель энергии и т.д.).
2. Новый объект, позволяет получить тот же результат, что и посредством уже существующих устройств, но при меньших затратах.
Уменьшение затрат может быть связано со снижением удельного расхода энергии или материалов, возможностью использовать другое сырье, меньшей трудоемкостью изготовления и т.д. Примерами таких агрегатов служат атомная электростанция, дающая возможность использовать для получения электроэнергии не органическое топливо, а ядерное; гелиевый ожижитель с двухфазным детандером, в котором снижен удельный расход энергии и т. д.
3. Наконец, новый технический объект позволяет получить тот же результат, что и существующие образцы техники и с примерно такими же показателями. Однако этот новый технический объект может действовать в условиях, где старые устройства подобного назначения не обеспечивали нужный результат, например, в тропических условиях, в невесомости и т.д. Примерами таких объектов может служить аппарат для низкотемпературной ректификации воздуха, работающий в условиях качки на корабле, гелиевый рефрижератор на орбитальной станции «Салют-6» [30] и т. д.
Во всех трех описанных случаях новые технические системы могут проектироваться как на базе прежних (путем их более или менее существенной модернизации), так и совершенно по-новому – на основе использования неизвестных ранее (или известных, но не находивших применения) физических и других явлений.
Необходимость создания новых технических объектов
Основные факторы, обуславливающие необходимость создания новых технических объектов, связаны с потребностями общества; если они отсутствуют, то реализация объектов становится бессмысленной тратой энергии, материалов, труда и любые возможности создания нового технического объекта не смогут быть реализованы.
Потребности общества выдвигают определенный «социальный заказ» к развитию производства и техники. Эти потребности бывают трех видов. Первый из них – в предметах потребления; которые используются непосредственно и не связаны со сферой производства и научных исследований. К ним относятся прежде всего предметы быта и бытовой техники (жилища, мебель, радио- и телеаппаратура, холодильники и т. д.), культуры, образования, искусства, медицины. Рост таких потребностей стимулирует количественное и качественное развитие как самих предметов потребления, так и соответствующих отраслей производства.
Второй вид потребностей общества определяется средствами материального производства. Качественное и количественное развитие производства вызывает противоречия между целью процесса труда и отсутствием или недостаточно полной возможностью ее реализации посредством имеющихся технических средств. Разрешение этого противоречия возможно только путем совершенствования существующего и создания новой техники. В конечном счете оно приводит к росту производительности общественного труда.
Третий вид – потребностей общества связан со сферами научных исследований и обороны страны. Современные научные исследования ставят перед техникой сложные задачи, которые вызывают к жизни новые отрасли производства и тем самым стимулируют развитие техники. Достаточно вспомнить такие сооружения, как современные телескопы, ускорители, токамаки, пузырьковые камеры и т. д.
Естественно, что все виды техники, проектируемой и выпускаемой для удовлетворения потребностей общества, развиваются не изолированно и оказывают взаимное стимулирующее влияние. Экономическое обоснование выбора технического решения при создании техники, удовлетворяющей потребностям третьего вида, отличается от того, которое применяется для первого и второго. Для бытовой и производственной техники необходимость разработки новых образцов определяется отношением конечного эффекта к затратам.
Выпуск новой техники имеет смысл только в том случае, если это отношение для нее выше, чем для старой. Для третьего вида потребностей экономическая оценка эффекта затруднена тем, что его зачастую нельзя или трудно предвидеть (в научных исследованиях) или он вообще отсутствует (в оборонной технике).
В этих случаях предпочтительнее тот вариант, который требует для получения нужного результата наименьших приведенных затрат.
Возможность разработки нового технического объекта
Возможность разработки нового технического объекта определяется в основном тремя факторами.
1. Научные открытия. Новые явления и закономерности открывают возможности для создания технических объектов. Применительно к криогенной технике самыми наглядными примерами могут служить два. Первый – открытие в 1911 г. Камерлинг-Оннесом сверхпроводимости; оно вызвало (после того, как были созданы жесткие сверхпроводники) целый поток совершенно новых технических устройств (сверхпроводящие магниты-накопители, приборы и т.д.), и существенно модернизированных (например, двигателей и генераторы со сверхпроводящими обмотками). Второй пример – открытие сегнетоэлектриков и ферромагнетиков с аномально большими электрокалорическими и магнитокалорическими эффектами, существующими в широком интервале температур; это дает возможность создания новых эффективных криорефрижераторов.
2. Технические изобретения. Известные и вновь открытые явления и закономерности не могут, как правило, быть использованы непосредственно для проектирования новых технических объектов. Для этого необходимы изобретения – новые, ранее не существовавшие способы, устройства или вещества, идея которых возникла в голове человека. Примеры этого можно привести из самых различных областей. Чтобы перейти, например, от природы термоядерной реакции к искусственному ее проведению, понадобилась целая серия изобретений, в частности магнитный способ удержания плазмы.
Положение о том, что все газы могут быть переведены в жидкое состояние, было высказано еще Л. Лавуазье; после открытия критической температуры Д. И. Менделеевым и Т. Эндрюсом оно стало научной теорией. Однако потребовались десятки изобретений, прежде чем появились ожижители газов.
3. Совершенствование технологии и разработка новых материалов. Как научные открытия, так и технические изобретения могут быть реализованы только в том случае, если уровень технологии и наличие материалов с соответствующими свойствами позволяют превратить эти открытия и изобретения в реальный технический объект. [Разумеется, что и сама технология как составная часть техники развивается на основе открытий и изобретений.] Примером того, как долго ограниченные возможности технологии сдерживали внедрение изобретения, может служить машина Стирлинга. Цикл этой машины был предложен в 1816 году, но его смогли реализовать в высокоэффективной машине лишь через 150 лет, причем решающее слово здесь было за современными конструкционными материалами в сочетании с высокой точностью изготовления деталей.
Одновременное действие факторов, вызывающих необходимость создания новой техники и обеспечивающих возможность этого создания, приводит к постоянному обновлению всего фонда технических объектов (машин, аппаратов, установок и их комплексов).
Диалектика развития техники
Процесс обновления протекает по определенным общим закономерностям [4], отражающим диалектику развития техники, здесь целесообразно коротко рассмотреть две из них, обусловленные действием закона отрицания отрицания.
1. Любая система (изделие), как бы совершенна она ни была во время проектирования и запуска в производство, с течением времени заменяется на новую, которая через некоторое время в свою очередь вытесняется более совершенной.
Рис. 1.2. Кривая «жизни» технического объекта.
Эта закономерность может быть представлена в виде «кривой жизни», изображенной на рис. 1.2 [4], для двух сменяющих одна другую систем 1 и 2. Объем производства W системы 1 после ее внедрения быстро увеличивается, достигает максимума, а затем сокращается вследствие появления новой, более совершенной системы 2 и т. д. Время t «жизни» технических систем имеет постоянную тенденцию к уменьшению. Так, если до 1940-1950 гг. криогенное оборудование заменялось, как правило, вследствие физического износа, то в настоящее время замена установок обусловливается и моральным износом через 10-15 лет и менее.
2. Каждая система (изделие), приходящая на смену старой, в течение срока своей «жизни» постоянно совершенствуется, модернизируется. Вначале это совершенствование, отражающееся в росте соответствующих показателей качества идет быстро [Показатели качества технических систем рассмотрены в гл. 4.]; затем возможности дальнейшего совершенствования постепенно исчерпываются, темп роста показателей качества замедляется. В период, близкий к концу «жизни» системы, наступает насыщение – сатурация, и рост прекращается. Следующая система. Приходящая на смену первой, проходит ту же эволюцию, но на более высоком уровне качественных показателей. Характер этой эволюции показан на рис. 1.3.
Рис 1.3. Эволюция системы определенного целевого назначения
Характерно, что в момент появления новой системы, когда ее потенциальные возможности еще далеко не реализованы, ее качественные показатели могут быть хуже, чем старой из которой «выжаты» все резервы. Задача инженера-проектировщика заключается в том, чтобы уже на ранней стадии (иногда еще в момент появления соответствующего открытия или зарождения идеи новой технической системы) почувствовать и определить возможности нового технического объекта и найти способы и устройства, позволяющие их реализовать.
Следующая страница: 1.4. Этапы и стадии создания технической системы
| 