В.М. Бродянский, Ю.М. Синявский.
Основы методики проектирования криогенных установок

1.2. Традиционные и современные методы проектирования

Методы создания нового технического объекта неизбежно развивались в связи с прогрессом техники, усложнением самих технических устройств. В этом развитии можно отметить три этапа.

Первый относится к периоду, когда проектирование опиралось в основном на эмпирическое знание свойств элементов, составляющих данный технический объект, и конструктивных связей между ними. Было известно, что такие-то элементы конструкции в определенном сочетании могут обеспечивать необходимый результат.

Методом «проб и ошибок» на основе опыта и наблюдений нащупывались изменения, приводящие к улучшению функционирования объекта, вырабатывалось направление, на котором можно было добиться более высоких показателей. Такие изменения (или замена на новые) элементов и их связей (морфология) были основой проектирования новых или усовершенствованных технических объектов. На ранних стадиях развития техники полученный результат передавался от учителя ученику. В процессе работы, а позже стал закрепляться посредством технической документации – чертежей и описании – для тиражирования образца в нужном количестве экземпляров.

Характерным примером в этом отношении может служить труд Т. А. Эдисона по подбору материала для нити при создании длительно работающей электрической лампы накаливания: он испытал около 3000 различных материалов. Другой пример – создание Ж. Клодом поршневого уплотнения для его детандера, закончившееся выбором кожаных манжет со специальной пропиткой, обеспечивавшей работу машины без смазки цилиндра. Такой эмпирический метод проектирования в ряде отраслей техники просуществовал вплоть до конца XIX в. и даже позже.

Главный недостаток метода заключался в том, что морфологическое и функциональное представленное о системе не сочеталось с научным; научное начало, объясняющее действие системы и элементов, осталось полностью или частично в стороне. Из-за этого делалась масса лишней работы; поиски решения во многих случаях шли не там, где нужно, и не так, как нужно.

Второй этап характеризуется все возрастающим применением естественно-научных знаний в процессе проектирования. Это находит выражение как в использовании научных открытий для создания на их основе новых технических объектов определенного назначения, так и в разработке научных методов их расчета и оценки предельно возможных показателей (отсюда, в частности, и введение понятия КПД). Именно наука дала возможность создания необходимых для такой оценки абстрактных идеализированных моделей технических систем. Классическим образцом может служить работа С. Карно [1], который, абстрагировавшись от конкретных тепловых машин, установил на идеальной модели общий закон, определяющий условия всех взаимных превращений тепла и работы.

В результате возник метод проектирования, при котором в мышлении инженера сочетались оба вида характеристик технического объекта: и морфологическая, и функциональная. Проектирование новых технических объектов и радикальная модернизация существующих при таком реализационном проектировании начинаются с некоторой определенной технической идеи, - часто на уровне изобретения. В процессе проектирования разрабатывается наилучший метод практической реализации этой идеи для получения нужного результата. При этом в случае необходимости «по ходу» проектирования ведутся необходимые исследовательские работы.

На основе такого метода были спроектированы, например, поршневой гелиевый детандер П. Л. Капицы (щелевое уплотнение пары цилиндр – поршень) и его же эффективный турбодетандер (идея использования реактивно-активной турбины при низких температурах).

Период реализационнного проектирования характерен для XIX и первой половины XX века; он сохранил во многом свое значение до сих пор. Более того, он, по-видимому, для ряда локальных задач будет существовать и дальше. Однако на первое место сейчас выходит новый метод проектирования, характерный для современного этапа развития техники.

Третий этап развития методов проектирования характеризуется тем, что создание нового объекта из процесса реализации идеи превращается в процесс, ход которого определяется прежде всего конечной задачей, выходом, назначением создаваемого технического объекта. Развитие естественных и технических наук дает возможность создать и использовать не одну, а множество идей для решения задачи. Поэтому идею, на которую нужно опереться, взять за основу, необходимо выбрать (или выработать) в начальной стадии процесса, имея в виду совершенно определенную конечную цель.

Такое системно-целевое проектирование ведется на основе применения всего большого арсенала современных научно-технических средств с анализом множества возможных идей. Это уже не просто проектирование как процесс воплощения некоторой заданной в начале идеи в изделие, а проектное исследование с определенной конечной целью. Главную роль в таком проектировании играет этап выбора идеи, которая кладется в основу проектирования.

Основная трудность здесь состоит в том, что область поисков идеи не ограничена какой-либо одной областью науки и техники; поиски должны вестись во всех возможных направлениях (иногда, на первый взгляд, самых неожиданных). Например, при создании некоторых криогенных установок для выбора определяющего процесса – внутреннего охлаждения в ступени окончательного охлаждения – раньше было только одно направление – термомеханические процессы (дросселирование, детандирования и эффект Джоуля).

Сейчас ситуация значительно усложнилась: для этой цели могут быть использованы различные эффекты (Пельтье, Эттингсхаузена, электро-калорический, магнито-калорический, десорбционный и т.д., а также их сочетания). По мере разработки системы возникают и другие задачи, пути решения которых неоднозначны. Однако при этом все множество принимаемых решении должно быть органически связано с общей структурой для того, чтобы наилучшим образом соответствовать конечной цели – созданию наиболее эффективной системы данного назначения.

Решение всего комплекса связанных с этим разнообразных задач возможно при участии специалистов различных направлений и требует переработки большого количества информации и проведения комплекса научно-исследовательских (НИР) и опытно-конструкторских работ (ОКР). Эти работы должны выполняться достаточно быстро, чтобы не отстать от растущих требований общества и стремительного развития науки и техники. В противном случае проектируемый технической объект может к моменту выпуска готового изделия оказаться морально устаревшим, а значительная часть проделанной работы – бесполезной.

Все это показывает, что современное системно-целевое проектирование требует как соответствующих форм организации инженерного труда, так и информационного, математического и опытно-экспериментального обеспечения.

Вместе с тем, не следует думать, что с развитием системно-целевого проектирования методы, характерные для первого, и, особенно, второго этапов, полностью потеряли свое значение.

После открытия нового явления неизбежно, раньше или позже, возникают идеи и изобретения, каждое из которых рождается из желания найти этому явлению техническое применение. Затем также неизбежен этап реализационного проектирования.

Во многих частных случаях, когда объем задачи невелик и нет смысла развертывать для ее решения большой научный аппарат, результат быстрее всего может быть достигнут чисто эмпирическим путем.

Таким образом, системно-целевое проектирование в полном объеме нужно не всегда; оно необходимо только при создании сложных, существенно новых объектов техники. Но и в этом случае более простые методы могут использоваться «внутри него», на соответствующих этапах. С другой стороны, при более «простом» реализационном проектировании могут, естественно, применяться те или иные организационные приемы, выработанные в практике системно-целевого проектирования.

Следующая страница: 1.3. Факторы, определяющие необходимость и возможность разработки новой технической системы