7 Второй этап развития самолета
7.1 Подэтап 2.1
Во втором этапе развития самолета, который длился со второй половины 1914г. по начало 1930-х годов (примерно по 1932 год), можно выделить два подэтапа. В течение первого подэтапа (2.1), завершением которого можно считать 1918г., началось активное использование и соответствующее бурное развитие самолета, обусловленное Первой мировой войной, в течение второго (2.2) самолет расширил сферу использования и освоил архитектуру моноплана со свободнонесущим крылом.
Война, как двигатель технического прогресса, оказала большое влияние на развитие самолета. При этом следует отметить, что в военных целях самолеты стали использоваться ещё в 1910г. на маневрах и в 1911-1912г.г. в боевых действиях (Италией и Россией). Потенциал самолета как военной техники был осознан сразу после завершения подэтапа 1.1, поэтому в сферу развития военной авиации направлялись основные средства. Именно это помешало успешно реализоваться попыткам использования самолета в гражданской области (перевозка пассажиров или почты).
Перед войной господствовало мнение, что легкие самолеты будут использоваться в разведке, а большие (тяжелые) – для бомбардировок. Именно в разведке самолет сразу доказал свою полезность. Для разведки применялись как монопланы, так и бипланы, которые затем стали основным типом разведчика, поскольку позволяли поднять двух человек, да еще и аппаратуру (фото или кино). Успехи авиационной разведки породили необходимость борьбы с ней. В результате стали создаваться силы ПВО (зенитные установки), а также специальные самолеты-истребители. Поскольку эти самолеты должны были иметь возможность догонять самолеты-разведчики, истребительную авиацию стали формировать на базе более быстроходных монопланов. Истребители стали действительно грозной силой после установки на них пулеметов, способных стрелять через винт. Синхронизаторы стрельбы для самолета первыми стали применять в 1915г. в Германии, а затем (независимо) в России. Вскоре это изобретение стали применять в авиации всех воюющих стран. (Вообще-то предложения по синхронизации стрельбы через винт самолета были разработаны во многих странах ещё до 1914г. Однако в то время военными специалистами идея стрельбы из самолета считалась фантастической, не нужной в реальной жизни. Этот пример, а также история реализации многих других авиационных изобретений показывают, что главная проблема заключается не столько в запаздывании создания изобретений, сколько в запаздывании реализации уже имеющихся предложений. Причем это запаздывание обусловлено не только недостаточным уровнем техники и технологии, но и отсутствием осознания соответствующей потребности.) Успехи истребителей по борьбе с разведчиками породили ещё два новшества: на разведчиках стали устанавливать оборонительное стрелковое вооружение, а от истребителя потребовалась не только скорость, но и маневренность для успешной борьбы с другими истребителями. Такую маневренность в тот период имели только небольшие скоростные одноместные бипланы (см. рис. 9), которые и завевали нишу самолетов- истребителей на многие годы вперед.
На базе самолетов-разведчиков были созданы так называемые многофункциональные самолеты, которые использовали стрелковое оружие и бомбы малого калибра – т.е. самолеты-штурмовики. Практика их использования заставила вводить защиту от наземного огня в виде стальных листов, причем на английском самолете «Сопвич-Саламандер» бронекоробка использовалась как часть несущей конструкции фюзеляжа (как это было сделано в годы следующей войны на штурмовике Ил-2).
Активно развивались и бомбардировщики, размеры которых за время войны выросли примерно в 3 раза. Успех их использования был во многом обусловлен применением специальных приборов для прицельного бомбометания. Для обороны от истребителей на них стали устанавливать пулеметные турели (по нескольку штук). А чтобы уйти от зенитного огня стали увеличивать высоту полета и переходить на ночные полеты, для чего было разработано необходимое оборудование.
Соответственно для борьбы с высоколетящими бомбардировщиками стали создаваться высотные истребители-перехватчики, часть из которых оборудовалось даже кислородными приборами.
Подобно наземной авиации гидросамолеты также разделились на разведчиков, истребителей и бомбардировщиков. В Англии дополнительно были созданы гидросамолеты – торпедоносцы. Также началось использование самолетов с боевых кораблей. Одним из следствий этого стало появление складывающихся крыльев на самолетах палубной авиации.
Потребности войны заставили увеличивать скорость самолетов (см. рис. 1), что обеспечивалось как за счет роста мощности двигателей, так и за счет совершенствования аэродинамики.
Мощность авиационных двигателей за время войны увеличилась примерно в 2,5 раза. Одновременно произошли изменения и в используемых типах двигателей. Наиболее распространенными двигателями на первом этапе развития самолета были ротативные двигатели воздушного охлаждения. У этих двигателей вращались весь блок цилиндров, расположенных звездообразно, чем обеспечивалось хорошее охлаждение на всех режимах (на малой скорости при взлете и на большой скорости в полете). Двигатели эти имели высокие удельные характеристики, а при использовании капота (см. рис. 9) и умеренное аэродинамическое сопротивление. Наряду с ротативными двигателями использовались и ДВС с водяным охлаждением, созданные на базе автомобильных двигателей. Для их охлаждения использовались специальные радиаторы, снабженные заслонками для регулирования степени охлаждения. Двигатели водяного охлаждения при той же мощности имели больший вес по сравнению с ротативными двигателями и несколько большее аэродинамическое сопротивление (из-за радиаторов), но были более надежными и экономичными. В соответствии со своими конструктивными особенностями ротативные двигатели применялись на небольших самолетах, для которых важен был вес силовой установки, а ДВС с водяным охлаждением – на больших бомбардировщиках, имеющих значительную дальность полета, для которых важными были суммарный вес силовой установки и топлива, а также надежность двигателей во время длительного полета. То есть осуществлялось распределение разных типов двигателей по соответствующим специализированным нишам.
Такое распределение двигателей по типам самолетов было в предвоенный период и в начале войны. Однако по мере роста мощности у ротативных двигателей выявились отрицательные эффекты, обусловленные их принципом действия: из-за увеличения размеров блока цилиндров и роста соответствующих центробежных сил существенно осложнилась смазка двигателя, а из-за возросших массы двигателя и соответствующего гироскопического эффекта возникли затруднения с маневрированием самолета. Поэтому в ходе войны все ДВС мощностью более 200 л.с. выполнялись с водяным охлаждением. Стационарный двигатель с воздушным охлаждением на замену ротативному появился только в первые послевоенные годы: требуемая степень охлаждения звездообразно расположенных неподвижных цилиндров обеспечивалось за счет выполнения головок цилиндров из алюминия и повышения степени оребрения головок.
Можно ли считать появление вращающегося блока цилиндров с последующей заменой его неподвижным проявлением закономерностей «повышение степени динамичности» и «антидинамичности» в развитии авиационных ДВС с воздушным охлаждением? Скорее всего, нет. Повышение степени динамичности отражает необходимость приспособления элементов системы к меняющимся во времени условиям функционирования. При этом, как правило, из процесса функционирования убираются мешающие (избыточные) свойства. Примерами этому могут служить складывающиеся крылья у палубных самолетов или убирающиеся на время полета шасси. Вращение блока цилиндров явилось одним из решений проблемы обеспечения хорошего воздушного охлаждения при малой скорости набегающего на самолет воздушного потока. Эта проблема при существующих материалах (чугун) могла быть решена за счет повышения местной скорости воздушного потока вблизи головок цилиндров, что, в свою очередь, могло быть обеспечено либо за счет дополнительного обдува, например, с помощью специальных вентиляторов, либо за счет движения самих цилиндров. При ограниченной мощности ДВС вращение цилиндров было явно предпочтительнее. С другой стороны, всякое механическое движение элементов системы сопряжено с понижением степени надежности функционирования. Поэтому при любой возможности заменить подвижную механическую систему неподвижной, особенно в части обеспечения вспомогательных функций, такая замена осуществляется. Для ДВС с воздушным охлаждением подобная замена стала возможной за счет увеличения номенклатуры применяемых материалов, обеспечивающих интенсификацию теплообмена. То есть сложное механическое движение заменили усложнением неподвижной конструкции.
Еще одним новым типом авиационного ДВС, появившегося во время войны, стали так называемые высотные двигатели, создание которых потребовалось из-за необходимости увеличить высоту полета самолетов. Конструктивно высотные ДВС не отличались от невысотных. Просто максимальная мощность, на которую они были рассчитаны, могла длительно реализовываться только на большой высоте. При полетах на небольших высотах максимальная мощность могла реализовываться только кратковременно, а длительная мощность была в 1,3-1,4 раза меньше максимальной. Ограничение мощности осуществлялось простым уменьшением открытия заслонки газа. Естественно, что для полетов на небольшой высоте такой двигатель имел избыточный вес. В данном случае расширение функционально-параметрической ниши ДВС при сохранении степени сложности конструкции было обеспечено за счет избыточной затраты ресурсов.
Как видно из рис. 13, аэродинамическое качество самолетов в течение подэтапа 2.1 заметно увеличилось. Это было обеспечено в первую очередь за счет внедрения целого ряда мер по снижению аэродинамического сопротивления: уменьшения общей длины растяжек, уменьшение числа стоек у бипланов, снижение числа стоек шасси, закрытие спиц колес полотняными пролаченными дисками, замена растяжек из проволоки растяжками из профилированной ленты, придание стойкам обтекаемой формы, установка капотов на ротативные двигатели, установка радиаторов перед двигателями (а не сбоку от них). Кроме того, реализовывались некоторые предложения науки по совершенствованию профиля крыла. Указанные мероприятия (которые соответствуют процессу оптимизационного согласования) быстро внедрялись всеми воюющими странами, при этом обмен информацией осуществлялся в основном путем изучения сбитых самолетов.
На ряде бомбардировщиков, созданных во время войны, с целью снижения аэродинамического сопротивления двигатели размещали внутри фюзеляжа, а вращение к винтам осуществлялась через трансмиссии. Однако суммарный вес силовой установки при этом существенно вырос, плюс надежность работы трансмиссии была далека от необходимого уровня. В результате получилось только общее ухудшение характеристик самолета.
В годы войны в 1915г. в Германии конструктором Х. Юнкерсом был создан первый цельнометаллический самолет по прогрессивной схеме моноплана со свободнонесущим крылом и относительно толстым (12-17%) авиационным профилем «Юнкерс J-1» (см. рис. 14). Побудительными мотивами этому послужили: нехватка древесины из-за блокады Германии, а также отсутствие достаточно мощных авиадвигателей немецкой постройки (что требовало существенного снижения аэродинамического сопротивления для увеличения скорости). Свою роль сыграл и имеющийся в Германии опыт создания металлических конструкций дирижаблей. Кроме того, сам Х. Юнкерс был убежденным сторонником идеи металлического самолета.
Рисунок 14 – Самолет «Юнкерс J-1», 1915г.
Опытный самолет «Юнкерс J-1» был выполнен из стали (за что получил прозвище «жестяной осёл»). При этом существенного снижения сопротивления не получилось (в частности, из-за торчащих радиатора и шасси, хотя при мощности двигателя 120 л.с. была получена почти рекордная скорость 170 км/ч), а по весовым показателям самолет заметно уступал существующим деревянным бипланам. В последующей модификации (истребитель J-2) сталь была заменена на дуралюмин, который был разработан и освоен в производстве в Германии, однако хороших весовых показателей достичь все равно не удалось. Энерговооруженность этих моделей самолетов (около 0,12-0,16 л.с./кг) оказалась недостаточной для их успешного практического применения как истребителей.
7.2 Подэтап 2.2
Подэтап 2.2 характеризуется замедленными темпами роста скорости и аэродинамического качества самолета (см. рис.1 и 13). Некоторые исследователи причиной этому считают обыкновенную психологическую инерцию, поскольку идеи, реализованные затем на этапе 3 и приведшие к заметному росту скорости самолета, в общем-то были известны к началу 1920-х годов. Однако развитие на данном «замедленном» подэтапе определялось рядом вполне объективных факторов.
После завершения войны спрос на военные самолеты резко сократился, что привело к существенной недогрузке имевшихся авиационных предприятий. В двух странах авиационная промышленность была сведена к минимуму: в Германии из-за запрета на создание военной авиации и ограничения на параметры всех других типов самолетов и в России из-за разрухи народного хозяйства вследствие гражданской войны. Ответом на эту ситуацию стало возникновение и развитие гражданской авиации. Причем в целом ряде европейских стран развитие авиационных перевозок дотировалось из государственного бюджета. В течение подэтапа 2.2 число двигателей у распространенных пассажирских самолетов увеличилось с 1 до 4, вместимость - с 2-4 до 20-30 человек, а у отдельных самолетов-гигантов составила 40-60 человек.
Создание гражданских (в первую очередь пассажирских) самолетов привело к появлению новых (по сравнению с боевой авиацией) требований: безопасность перевозок, долговечность самолетов и экономичность эксплуатации. Необходимость обеспечения безопасности полетов над водными пространствами привела к созданию различных типов гражданских гидросамолетов. А недостаточность аэродромов – к созданию большого числа амфибийных гидросамолетов различного назначения, использующих для взлета и посадки воду, землю, снег и лед и обеспечивших освоение авиацией самых удаленных уголков планеты.
За время войны самолеты в течение подэтапа 2.1 «набрали» вес, обусловленный требованиями функционирования. В результате параметрическая подниша (ячейка) самолетов весом до 1000 кг со скоростью до 150 км/ч и с мощностью моторов до 100 л.с. оказалась пустой. Поэтому на подэтапе 2.2 эту поднишу заполнила так называемая «малая авиация», созданная уже с учетом освоенных к этому времени технических решений и технологии. Легкие самолеты имели различное назначение: учебное, пассажирское, сельскохозяйственное. Их созданию способствовали дешевизна накопленного к окончанию войны и распродаваемого авиационного оборудования и большое количество пилотов, оказавшихся без работы. Созданные в эти годы удачные образцы легких самолетов тиражировались затем несколько десятилетий. Примером такого самолета является знаменитый У-2 (По-2).
В архитектуре самолетов подэтапа 2.2 стали широко применяться относительно толстые авиационные профили (до 15-16%). Хотя увеличение относительной толщины увеличивало профильное сопротивление и (немного) площадь трения крыла, однако позволило улучшить прочностные характеристики крыла, что в свою очередь позволило исключить из конструкции самолета элементы, создающие заметное аэродинамическое сопротивление. У бипланов за счет этого удалось освободиться от расчалок и уменьшить число стоек между крыльями. А у монопланов – реализовать свободно несущее крыло. Если в Англии, Франции и США первые пассажирские самолеты создавались на основе бомбардировщиков, имевших схему биплана, то Х. Юнкерс уже в 1919 году создал специально спроектированный одномоторный пассажирский моноплан «Юнкерс F-13», имевший перспективную архитектуру моноплана с низко расположенным крылом, ставшую в последствии классической (рис. 15). В СССР такую схему активно применял А.Н.Туполев, создав в 1925 году не менее классический двухмоторный бомбардировщик ТБ-1, оказавший влияние на развитие архитектуры бомбардировочной авиации во всем мире (рис. 16 и 17).
В конструкции самолета стал активно применяться металл. Наиболее активно применяли его те же Х. Юнкерс (самолет F-13 был цельно металлическим) и А.Н.Туполев. Однако дело тут не в человеческом факторе прозорливых конструкторов (хотя его сбрасывать со счетов тоже нельзя). Требование долговечности конструкции гражданских самолетов не могло быть выполнено без применения металла хотя бы в конструктивном каркасе крыла и фюзеляжа. Подтверждением этому стали несколько «громких» аварий пассажирских самолетов из-за подгнивших деревянных деталей конструкции.
Рисунок 15 - Пассажирский самолет «Юнкерс F-13», 1919 г.
Рисунок 16 – Бомбардировщик ТБ-1, 1925г.
Рисунок 17 – Схема бомбардировщика ТБ-1
У больших самолетов применение металла стало необходимостью из-за невозможности подобрать заготовки требуемого размера из древесины. Кроме того, широко применявшиеся растяжки и полотняная обшивка крыла и фюзеляжа с течением времени теряли форму и требовали перетяжки или замены. Если у самолетов во время войны это было не заметно (жизнь самолета, участвовавшего в боевых действиях, была коротка), то для гражданской авиации необходимость проведения таких операций заметно осложняло и удорожало эксплуатацию. Необходимо при этом отметить, что переход к металлическим самолетам происходил сравнительно медленно по двум причинам: металлический самолет получался все-таки тяжелее деревянного, да и технология авиазаводов была ориентирована в основном на работу с деревом. Поэтому металл применялся главным образом в составе смешанных конструктивных схем. Если в 1920 году металл применялся только в пассажирской авиации (с долей около 10%), то в 1929 году доля цельно металлических самолетов достигала в бомбардировочной авиации 85% (остальное – смешанные конструкции), а в истребительной и пассажирской авиации доля смешанных конструктивных схем достигала соответственно 50% и 70%.
В конструкции самолетов уже в начале 1920-х годов стали появляться отдельные элементы динамизма. Примером этому служат радиаторы охлаждения, убирающиеся в фюзеляж с ростом скорости (что позволяло регулировать температуру охлаждающей воды и заодно снижать аэродинамическое сопротивление), а также поднимающееся колесное шасси на амфибийных гидросамолетах (что обуславливалось именно их амфибийностью).
Отличительной особенность подэтапа 2.2 явилось существенное накопление знаниевого информационного ресурса, который затем был в значительной степени реализован на следующем этапе развития самолета. После окончания войны стал возможен обмен научной информацией, накопленной в ходе исследований, выполнявшихся на подэтапе 2.1. В частности, стала достоянием разработанная Л.Прандлем (Германия) теория индуктивного сопротивления крыла, создавшая основу для инженерных аэродинамических расчетов [8]. Была разработана схема расчета работающей металлической обшивки крыла. По сравнению с широко применявшейся металлической гофрированной обшивкой, которая могла участвовать только в восприятии деформации кручения и имела большую площадь трения, такая обшивка существенно снижала сопротивление трения крыла и позволяла уменьшить потребную толщину крыла, что также снижало профильное сопротивление. Отсутствие практических схем расчета приводило к завышению толщины обшивки (на коэффициент незнания), что делало такую конструкцию невыгодной в весовом отношении (было проверено на натурном самолете в 1920г.). Для уменьшения аэродинамического сопротивления ДВС с воздушным охлаждением на основе аэродинамических экспериментов были предложены специальные капоты (кольцо Таундена и капот NASA). Также на основе аэродинамических экспериментов были разработаны обтекатели для шасси и «наплывы» («зализы») в месте стыковки крыла с фюзеляжем. Большинство предложений по аэродинамическому совершенствованию проверялось на спортивных гоночных самолетах.
Аэродинамическое совершенствование самолетов привело к обострению базового противоречия системы «самолет», связанного с наличием разбега при взлете и пробега при посадке. Гоночные самолеты, имевшие высокую скорость полета, выполнялись с уменьшенной площадью крыльев (с высокой нагрузкой на крыло), что в свою очередь привело к повышению взлетно-посадочных скоростей и увеличению дистанций разбега и пробега. Для разрешения этого противоречия были разработаны различные схемы механизации крыла (закрылки и предкрылки разных типов – в первую очередь для снижения дистанции пробега) и винт изменяемого шага (ВИШ, позволяющий более полно выбирать мощность двигателя при разбеге и тем самым сокращать его дистанцию). Для самолетов, имеющих хорошее аэродинамическое качество, проблемой стало пологое планирование, не позволявшее круто снижаться к аэродрому. В результате в механизацию крыла ввели тормозные щитки.
Можно отметить, что первые опыты по применению щитков и закрылков проводились еще до 1914г., а ВИШ, идея которого появилась в 19-м веке, впервые был опробован на самолете в 1910г. Однако практическое и достаточно широкое применение этих конструкций пришлось на конец подэтапа 2.2, что было обусловлено обострением соответствующих противоречий: улучшение взлетно-посадочных характеристик стало важнее, чем снижение надежности и увеличение веса.
На этом же подэтапе были отработаны конструктивные схемы убирающегося шасси. Это техническое решение «сопротивлялось» реализации дольше других (хотя идея относится еще к проектам Леонардо да Винчи), поскольку опасность от невыпуска шасси осознавалась всеми. Кроме того убирающееся шасси требовало объемов для своего размещения и заметно увеличивало вес самолета. Однако после реализации всего комплекса мер по снижению аэродинамического сопротивления доля влияния шасси на скорость в относительном и, главное, абсолютном измерении стала достаточно велика (НЭ от торчащего шасси стал весьма существенным), что привело к применению убирающихся шасси на спортивных самолетах в начале 1920-х годов и на серийных пассажирских самолетах в начале 1930-х годов. Вообще весь комплекс решений по снижению аэродинамического сопротивления и соответствующего повышению скорости на серийных образцах был первым реализован в пассажирской авиации.
Здесь целесообразно более подробно рассмотреть факт медленного роста скорости самолетов на подэтапе 2.2. Говоря о скорости самолета как технического средства, имеют в виду, как правило, скорости серийных истребителей. Необходимость роста скорости боевого самолета определяется при сравнении с аналогичными образцами вероятного противника. Сразу после окончания войны законодателями технических характеристик боевых самолетов стали Англия и Франция, которые в отсутствии серьезных конкурентов (Германия и СССР) стали повышать в первую очередь мощность двигателей (рис. 18), что обеспечивало соответствующий рост скорости полета истребителей-бипланов (рис. 19). То есть инерция действительно имела место, но это была инерция осознанной потребности в повышении скорости истребителей. Соответствующая инерция наблюдалась и для других типов боевых самолетов. Для вновь создававшейся гражданской авиации скорость полета тоже не стала ещё важным эксплуатационным фактором, что объясняется начальной фазой развития данного вида самолетов.
Рисунок 18 – Мощность авиационных двигателей, применявшихся на серийных истребителях 1920-1930г.г.
Рисунок 19 – Изменение скорости одномоторных самолетов в 1920-1930г.г.
Влияние «прохладного» отношения к росту скорости наглядно видно на примере самолета ТБ-1 (см. рис. 16 и 17). Применение свободно несущего монопланного крыла позволило снизить его сопротивление по сравнению с бипланной схемой, однако остальные элементы остались плохообтекаемыми: торчащее шасси и турели пулеметов, открытые кабины пилотов и стрелков, фюзеляж прямоугольного сечения, выступающие части кабины штурмана и т.п. В результате заметного повышения аэродинамического качества, скорости и дальности полета не произошло.
На первый взгляд описанная ситуация с ТБ-1 соответствует закону неравномерного развития частей системы. Формулировки этого закона имеют вид:
- согласно [9]: «Закон неравномерности развития частей ТС гласит, что совершенствование элементов ТС происходит неравномерно. Неравномерность развития компонентов приводит к возникновению противоречий между ними, которые снижают эффективность системы»;
- согласно [10]: «Развитие отдельных частей системы идет неравномерно. Одни части развивают больше, а другие – меньше или совсем не развивают. Особенно это характерно для сложных систем. Вследствие чего появляются противоречия».
В приведенных формулировках под «противоречием», как это принято в ТРИЗ, следует понимать «обостренное противоречие». А связь развития отдельных частей с обострением противоречия в системе вытекает из определения системного (технического) противоречия: если в рамках системы параметры одной её части изменяются для получения требуемого результата, то это неизбежно приведет к обострению противоречия, узловой компонент которого совпадает с изменяемой частью системы или включает её в себя.
Неравномерность развития различных частей системы имеет место всегда, поскольку разные части по-разному участвуют в обеспечении выполнения полезной функции системы и в потреблении ресурсов. Изменяются в первую очередь те части системы, которые обеспечивают полезный результат, снижают затраты или позволяют устранить существенные ухудшения (НЭ). Говорить о равномерности развития частей вообще абсурдно, поскольку измерить и обеспечить эту равномерность не представляется возможным. Нельзя, например, добиваться, чтобы все части системы изменились (допустим, увеличили динамичность) на 17%. При этом как раз возможно обострение гораздо большего числа противоречий, чем при обычном неравномерном развитии. Нельзя о равномерности развития судить и по этапам развития отдельных частей (подсистем), особенно в сложных системах. В реальности возможны самые разные сочетания, которые как раз и способствуют повышению эффективности. Например, при модернизации боевых самолетов меняется в первую очередь авионика (радио-электронное вооружение), скорость развития которой велика, а планер остается неизменным. При этом никаких проблем вообще не возникает, если массо-габаритные характеристики нового оборудования не выходят за рамки старого.
В примере с ТБ-1 имеется прогрессивное изменение одной части системы, которое создало потенциал (предпосылки) к аналогичному прогрессивному изменению других частей с целью повышения степени положительного эффекта, но этот потенциал остался не использованным. (Что-то похожее на пароход с кирпичной трубой.) То есть здесь имела место негармоничность развития, обусловленная отсутствием осознанной потребности в реализации всего комплекса технических решений по снижению аэродинамического сопротивления и повышению скорости полета бомбардировщика.
В проектировании хороший главный конструктор отличается от среднего тем, что при существенном изменении какой-либо подсистемы, обусловленным необходимостью выполнения новых требований к изделию, он проверяет не только появляющиеся отрицательные эффекты, но и новые возможности для развития других подсистем и системы в целом, обеспечивая гармоничность развития.
Между тем требуемая гармоничность развития реализовалась в гражданской авиации, поскольку улучшение аэродинамических качеств снижало эксплуатационные расходы (гражданская экономика сработала лучше, чем тактические построения военных). Как видно из рис. 19, скорость пассажирских самолетов в 1920-е годы росла интенсивнее скорости истребителей. Особенно активно этот процесс наблюдался в США, где получение дотаций для гражданской авиации было гораздо более трудным делом, чем в Европе. В период с 1927г. по 1931г. фирма «Локхид» выпустила серию одномоторных пассажирских самолетов, на которых постепенно были реализованы все основные технические решения по улучшению летных и взлетно-посадочных характеристик. Если на самолете Локхид «Вега» (1927г., рис. 20) было применено свободнонесущее крыло с работающей обшивкой и фюзеляж с круговыми сечениями (для снижения площади поверхности трения), то на самолете Локхид «Орион» (1931г., рис. 21) были уже реализованы все прогрессивные наработки, исключая лишь применение ВИШ. При этом вместо высоко расположенного крыла, принятого на первых самолетах серии для лучшего обзора из пассажирской кабины (как это было принято ранее на аналогичных самолетах фирмы «Фоккер»), было применено низко расположенное крыло для обеспечения размещения убирающегося шасси. В СССР самолет ХАИ-1, близкий по характеристикам к «Ориону», был построен в 1932г. С ростом прочности конструкции крыла произошло уменьшение относительной толщины профиля до умеренных значений (менее 10%), что также способствовало снижению аэродинамического сопротивления.
Рисунок 20 - Самолет Локхид «Вега», 1927г.
Рисунок 21 - Самолет Локхид «Орион», 1931г.
На границе 1920-1930г.г. скорость пассажирских самолетов уже превысила скорость истребителей-бипланов, что привело к осознанию технической возможности и необходимости повышения скорости боевых самолетов за счет реализации инновационных решений, проверенных в гражданской авиации. Однако быстро реализовать эту осознанную потребность не получилось по техническим причинам. На рис. 22 представлен график зависимости энерговооруженности одномоторных самолетов от скорости полета. Из этого графика видно, что энерговооруженность пассажирских самолетов при той же скорости полета меньше энерговооруженности истребителей, даже имеющих высокое аэродинамическое совершенство. Дело в том, что для транспортного (не маневренного) самолета достаточно иметь отношение подъемной силы к весу порядка 1,7-1,8. А для истребителя, выполняющего фигуры высшего пилотажа, это отношение должно быть не менее 2,5. Кроме того, внедрение мероприятий по аэродинамическому совершенству приводит к увеличению веса самолета. То есть для реализации достижений гражданской авиации на истребителях необходимо было увеличить мощность применяемых двигателей в 1,3-1,4 раза, что также не могло быть сделано мгновенно (см. рис. 18). Поэтому реальный рост скорости истребителей был осуществлен уже за пределами этапа 2.
Рисунок 22 – Зависимость энерговооруженности одномоторных самолетов 1920-1930г.г. от скорости полета
8 Третий этап развития самолета
8.1 Подэтап 3.1
В третьем этапе развития самолета, который длился примерно с 1932 по 1945 год, можно выделить три подэтапа. В течение подэтапа 3.1 (примерно до середины 1930-х годов) были реализованы все основные мероприятия по коренному улучшению аэродинамики, наработанные на предыдущем этапе. На подэтапе 3.2 (до 1940 года) осуществлялось эволюционное совершенствование самолетов, исходя из существовавших воззрений на их функционирование, а также из приближения к физическому пределу винто-поршневых силовых установок. На подэтапе 3.3, совпадающим с периодом Второй мировой войны, продолжалось эволюционное совершенствование самолетов, обусловленное реальной практикой боевых действий. Следует отметить, что развитие самолетов на этапе 3 происходило с максимальным использованием результатов научных исследований, активно проводившихся на этом этапе, т.е. с использованием знаниевого информационного ресурса.
На подэтапе 3.1 продолжалось успешное развитие пассажирских самолетов, направленное в первую очередь на рост провозоспособности (вместимость и скорость), а также на обеспечение комфорта пассажиров (звукоизоляция, отопление салона и т.п.). Архитектурно произошел переход преимущественно к двухмоторной схеме. Следует отметить, что в 1920-е годы происходил постепенный переход от одномоторной к двухмоторной, а затем к трехмоторной схеме. Установка трех моторов была обусловлена требованием безопасности полета: необходимостью обеспечения полета при вышедшем из строя одном двигателе. Но в 1930-е годы возросшая мощность двигателей позволила обеспечить это требование при двух моторах. Отказ от третьего (среднего) мотора позволил также уменьшить аэродинамическое сопротивление самолета. Если в 1930г. двухмоторные самолеты составляли 10% от числа новых типов пассажирских самолетов, то в 1934г. – уже 67%. Налицо явный переход по линии «моно – би – поли – свертывание (до би)», причем свертывание обеспечено возросшими параметрами единичного элемента.
Началось также применение гидравлического и/или электрического привода для облегчения управления самолетом: уборка и выпуск шасси, управление ВИШ и рулями.
Практически все эти новшества были реализованы на самолете Локхид 10 «Электра» (10 пассажиров, 1934г., рис. 23). Особенностью этого самолета было применение двухкилевого вертикального оперения: плоскости оперения помещены в струи винтов для повышения эффективности управления (явное пространственное согласование).
Рисунок 23 – Самолет Локхид 10 «Электра», 1934г.
В 1935г. совершил свой первый полет пассажирский самолет Дуглас DC-3, ставший самым массовым самолетом 1930-1940г.г. (21 пассажир, рис. 24). В СССР этот самолет выпускался по лицензии под маркой Ли-2. Главной особенностью этого самолета явилось преодоление порога самоокупаемости пассажирских перевозок, что позволяло развиваться независимо от государственных дотаций.
Рисунок 24 – Самолет Дуглас DC-3, 1935г.
В целом совершенствование аэродинамической схемы и увеличение мощности двигателей обеспечило существенную по абсолютной величине прибавку к скорости пассажирских самолетов, что воспринималось как значимый результат. При этом развитие пассажирских самолетов имело свои особенности в разных странах. В США проектировали специализированные пассажирские самолеты с целью получения высоких экономических характеристик. В Германии пассажирские самолеты проектировали с учетом возможности переоборудования их в бомбардировщики (даже в ущерб экономическим показателям). А в Англии консервативно продолжали развивать пассажирские бипланы.
Двухмоторные самолеты использовались для трансконтинентальных перевозок. Для трансокеанских перевозок использовались гидросамолеты (из-за необходимости обеспечить безопасность полетов). Вершиной пассажирского гидросамолетостроения можно считать четырехмоторную летающую лодку Боинг 314 (рис. 25) вместимостью 35-70 пассажиров (в зависимости от дальности), созданные уже на следующем подэтапе. Эти самолеты совершали полеты через Атлантику и Тихий океан (с несколькими промежуточными посадками).
Рисунок 25 – Летающая лодка Boeing 314 Clipper, 1938г.
Реализация на военных самолетах передовых технических решений, опробованных в пассажирской авиации, началась с бомбардировщиков, являющихся близкими аналогами транспортной гражданской авиации. При этом необходимое повышение мощности двигателей осуществлялось в первую очередь за счет форсирования существующих (с соответствующим уменьшением моторесурса, требования к величине которого у боевых самолетов ниже, чем у гражданских). Проще было реализовать и механизацию крыла, поскольку после сброса бомб у бомбардировщика уменьшалась нагрузка на крыло, что снижало посадочную скорость.
При создании новых истребителей кроме опыта совершенствования пассажирских самолетов использовался опыт спортивных (гоночных) самолетов, а также накопленные и специально проводимые научные изыскания. Примером истребителя, удачного для данного подэтапа и существенно отличающегося от истребителей 2-го этапа, можно считать самолет И-16 (рис. 26).
Рисунок 26 – Истребитель И-16, 1934г.
В первой половине 1930-х годов еще существовало мнение о необходимости совместного использования истребителей монопланов (скорость) и бипланов (маневренность). Поэтому создавались и истребители-бипланы на той же технической базе, что и монопланы. Делались попытки создать комбинированные би-монопланы: бипланы со складывающимся нижним крылом. Однако построенные образцы из-за возросшего веса, связанного с такой динамизацией крыла, уступали по скорости монопланам и по маневренности бипланам. Создавались и новые двухместные истребители (с дополнительным оборонительным вооружением). Однако опять-таки из-за возросшего веса они уступали обычным истребителям по скорости и маневренности, поэтому в дальнейшем использовались в основном как разведчики или легкие бомбардировщики.
Новые специализированные самолеты разведчики в 1930-х годах создавались в основном только в Германии. В остальных странах для разведки использовались истребители или легкие бомбардировщики (хотя в 1920-е годы разведчики были самым многочисленным видом военной авиации во всех странах).
Для создания новых типов боевых самолетов продолжался рост абсолютной и удельной мощности авиационных ДВС. При этом сохранялась конкуренция между двигателями с воздушным и водяным охлаждением. Для преодоления барьера размерности применялись схемы, позволявшие удвоить число цилиндров (переход «моно – би»). Для ДВС с водяным охлаждением применяли V-образное расположение рядов цилиндров, а для двигателей с воздушным охлаждением – схему «двойная звезда», что позволило увеличить мощность без увеличения общего поперечного размера ДВС. При этом для охлаждения цилиндров второго ряда применялись специальные меры на базе соответствующих научных исследований. Поскольку применение ДВС с водяным охлаждением позволяло уменьшить поперечное сечение фюзеляжа при одномоторной схеме, а при V-образной схеме удалось встроить в конструкцию двигателя автоматическую пушку, стреляющую через ось винта, эти ДВС стали применяться преимущественно на истребителях. А двигатели с воздушным охлаждением – в основном на бомбардировщиках и транспортных самолетах. Можно отметить, что в 1920-е годы все было наоборот: ДВС с воздушным охлаждением устанавливались на истребителях (из-за меньшего веса), а ДВС с водяным охлаждением – на бомбардировщиках и транспортных самолетах (из-за лучшей экономичности по расходу топлива). На этапе 3 более существенной оказалась необходимость снижения аэродинамического сопротивления плюс дополнительный системный эффект в части размещения оружия. Тем более, что по экономичности оба типа ДВС практически сравнялись.
Для обеспечения высотности двигателей стали применять наддув с помощью компрессора. Если для гражданской авиации было достаточно одного компрессора, обеспечивающего максимум скорости самолета на расчетной высоте, то для боевых самолетов необходимо было обеспечить работу ДВС во всем тактическом диапазоне высот. Поэтому на них стали применять два компрессора, рассчитанные на разные высоты: чаще всего один центробежный компрессор, приводимый во вращение от вала двигателя, и турбокомпрессор, приводившийся во вращение от выхлопных газов. Налицо действие целого ряда ЗРТС: увеличение числа элементов («моно – би»), согласование (ступенчатое), использование отходов (идеальность).
8.2 Подэтап 3.2
Если на подэтапе 3.1 были произведены поистине революционные изменения в архитектуре и конструкции самолетов, особенно боевых, то на подэтапе 3.2 совершенствование планера продолжалось в основном за счет «шлифования». Улучшалось качество поверхности трения, в частности, широко стала внедряться клепка «впотай», хотя и требующая больших трудозатрат. Повышалась точность аэродинамического эксперимента: были созданы аэродинамические трубы, в которых могли испытывать натурные истребители, определяя реальное влияние тех или иных технических решений на обтекаемость. Завершалась необходимая динамизация элементов самолета. В частности, на истребителях только к началу 1940-х годов повсеместно стали устанавливать сдвижные фонари на кабинах летчиков. Данное техническое решение долго встречало сопротивление из-за целого ряда отрицательных эффектов: от ограничения видимости до опасения, что фонарь не удастся открыть после повреждения самолета. Увеличивался объем механизации крыла, необходимый для улучшения взлетно-посадочных характеристик. Эту проблему пытались также решить за счет управления изменением площади крыла, однако сложность и заметное увеличения веса предлагаемых конструкций не дали реализовать такую динамизацию.
В конструкции самолета стали все шире применять элементы бронирования, включая бронестекла в обтекателе кабины.
Повышение прочности и живучести конструкции самолетов, а также увеличение скорости и маневренности, которые привели к сокращению продолжительности прицельной стрельбы, поставили задачу увеличения поражающей мощности оружия боевого самолета, в первую очередь – истребителей. Эта задача решалась увеличением количества и калибра автоматического оружия, устанавливаемого на истребителе. Кроме пулеметов появились скорострельные автоматические авиационные пушки. Из-за этого вес минутного залпа истребителей в 4-8 раз превысил аналогичный показатель первой мировой войны.
Увеличилось и различное вспомогательное оборудование, в первую очередь радиотехническое. На транспортных самолетах и бомбардировщиках стали применять навигационные средства для слепых полетов, устанавливать автопилоты. Появились антиобледенительные устройства.
Для повышения точности бомбометания был создан новый тип бомбардировщика: пикирующий. Пионером создания таких самолетов была Германия – знаменитый Юнкерс Ju-87. Однако за режим пикирования пришлось заплатить: для снижения скорости пикирования на самолет пришлось устанавливать специальные тормозные решетки, из-за перегрузок при выходе из пикирования пришлось усиливать конструкцию самолета, а приближение к земле во время пикирования делало самолет уязвимым для наземной стрельбы.
Все перечисленные технические решения приводили к росту веса самолетов. Средний вес истребителей, например, с 1933г. по 1937г. увеличился в 1,5-1,7 раза. Соответственно требовались все более мощные двигатели. Однако существующие винто-поршневые силовые установки уже стали приближаться к техническому пределу своего развития.
Для повышения мощности без существенного повышения размеров и веса двигателей конструктора обратились на микроуровень, т.е. занялись процессом сгорания топлива. В США и Англии в двигателях стали применять высокооктановый бензин, что позволило повысить степень сжатия смеси в цилиндрах. В Германии, где такого бензина не было, для кратковременного (около 10 минут) форсирования мощности на большой высоте использовали подачу окислителя в виде перекиси азота, а для небольших высот использовали впрыск водно-метаноловой смеси.
Для ДВС с водяным охлаждением необходимо было решать проблему аэродинамического сопротивления радиатора. Радиатор, меняющий свою площадь за счет выдвижения из фюзеляжа, который стал применяться на этапе 2, был приемлем до скорости полета около 350км/ч (параметрическая граница существования). Для больших скоростей стали использовать не выдвижные (не динамичные) туннельные радиаторы с уменьшенной местной скоростью обтекания (правда, за это пришлось заплатить увеличенными размерами радиатора). Кроме того, для интенсификации теплообмена вместо воды стали применять раствор этиленгликоля, который также предохранял радиатор от замерзания при низких температурах. Однако при скорости полета более 600км/ч проявился эффект кинетического нагрева, одинаково опасный для любой системы охлаждения, поэтому серийные винто-поршневые самолеты не смогли достичь скорости более 750км/ч.
С ростом мощности требовалось повышать обороты и диаметр винта, однако при этом на концах лопастей стали возникать волновые эффекты из-за приближения местных скоростей к скорости звука. Поэтому при повышении оборотов двигателя стали применять понижающие редукторы, а число лопастей винта увеличили с 2 до 3-4. Увеличение числа лопастей приводит к снижению КПД винта на средних скоростях полета, но зато позволяет отдалить существенное падение КПД из-за волновых процессов на больших скоростях.
Увеличение веса самолетов заставило также решать задачу по повышению весовой отдачи за счет конструкции планера (в первую очередь, для транспортных самолетов). Стали применяться новые материалы, например, более широко стали использоваться детали из легированной стали. Появились первые композитные материалы: бекелитовая фанера и дельта-древисина (которые активно применялись в СССР на первой фазе войны, когда страна была практически лишена алюминия). На ряде самолетов стала применяться слоеная обшивка (2 тонких слоя металла, между которыми слой легкой древесины).
Во второй половине 1930-х годов много внимания уделялось освоению сверхвысоких (стратосферных) полетов, поскольку существовало мнение о возможности проникновения бомбардировщиков на очень больших высотах и о соответствующей необходимости борьбы с ними истребителей на этих же высотах. Создавались стратосферные скафандры и герметичные кабины. В реальности для обеспечения точности бомбометания высота действия бомбардировщиков ограничивалась 5-7км. И вообще авиация использовалась в основном для поддержки наземных операций, что также ограничивало высоту полета. Однако накопленный опыт позволил создать герметичные салоны для пассажирской авиации, что обеспечивало полеты на наиболее выгодных с точки зрения расхода топлива высотах. Наиболее удачная конструкция такого салона была создана для самолета Боинг 307 (1938г., рис 27), которая затем была учтена при создании (уже во время войны) стратегического бомбардировщика В-29.
Рисунок 27 – Пассажирский самолет Boeing 307 Stratoliner, 1938г.
Четырехмоторная схема стала основной в дальней гражданской и военной авиации, поскольку позволяла совместить требования по надежности и грузоподъемности. Для двухмоторного самолета обеспечение взлета на одном моторе (если другой вышел из строя) требует закладывать в конструкцию отношение подъемной силы к весу порядка 2,2-2,3 (почти как у истребителей). А для четырехмоторного самолета взлет при одном вышедшем из строя моторе осуществляется при заложенном в конструкцию отношении подъемной силы к весу порядка 1,7-1,8. Это позволяет увеличить взлетный вес примерно на 30% по сравнению с двухмоторной схемой [3].
Подтвердившаяся в эксплуатации надежность самолета Boeing 307 и создание во всех точках промежуточных посадок на трансокеанских маршрутах подходящих аэродромов привело вытеснение из пассажирской авиации больших гидросамолетов, таких, как Boeing 314. Это было обусловлено тем, что гидросамолеты имели худшие аэродинамические и, соответственно, экономические характеристики по сравнению с сухопутными самолетами. Кроме того, рост размеров и скорости гидросамолетов привел к увеличению дистанций разбега при взлете и пробега при посадке, что существенно увеличило вероятность столкновения гидросамолета со случайными плавающими предметами (например, стволами деревьев). В результате гидросамолеты остались только на тех маршрутах, где были проблемы с созданием сухопутных аэродромов.
Во второй половине 1930-х годов прорабатывались различные варианты осуществления беспосадочных коммерческих трансокеанских рейсов за счет создания составных систем: «дирижабль + самолет» или «самолет + самолет». Прорабатывались также варианты дозаправки топливом в полете (первые опыты проводились ещё в 1920-е годы). Однако сложность получающихся комплексов и низкие экономические показатели не позволили реализовать подобные схемы. То есть путь увеличения числа элементов в системе и объединения разнородных элементов в данном случае оказался бесперспективным. Беспосадочные трансокеанские полеты были осуществлены уже после войны в «свернутом» варианте – одиночными самолетами с соответствующими характеристиками.
Боевые действия, в которых принимала участие авиация на подэтапе 3.2, показали, что скорость для истребителя важнее маневренности. Поэтому создаваемые к концу этого подэтапа истребители были исключительно монопланами. В качестве примеров боевых самолетов, созданных на данном подэтапе и имевших хорошие аэродинамические и тактические характеристики, можно отметить истребители Supermarine Spitfire (Англия, 1938г.), Мессершмит Bf-109 (Германия, 1939г.), фронтовой бомбардировщик (переделанный из пассажирского самолета) Хейнкель Не-111 (Германия, 1936г.), тяжелые бомбардировщики Boeing B-17 Flying Fortress (США, 1935г.) и ТБ-7 (Пе-8, СССР, 1936г.). Все эти самолеты принимали участие во Второй мировой войне.
8.3 Подэтап 3.3
Во время войны реально развивалась только боевая авиация, которая к началу войны включала достаточно большое количество видов самолетов:
- бомбардировщики (легкие, средние (фронтовые), тяжелые (дальние));
- истребители;
- штурмовики;
- разведчики;
- военно-транспортные;
- связные;
- противолодочные;
- торпедоносцы;
- палубные и др.
Развитие разных видов самолетов на подэтапе 3.3 происходило под действием тех или иных реальных факторов. Однако общим было преимущественное эволюционное развитие с созданием модификаций самолетов, уже освоенных промышленностью. Для сравнения: во время Первой мировой войны преимущественным было создание новых типов самолетов. Такая разница между периодами этих войн объясняется следующим. Во время Первой мировой войны продолжался поиск наиболее предпочтительных конструкций и накопление знаниевого ресурса. А изготовление самолетов было практически кустарным, позволявшим быстро переключаться с одного типа самолета на другой. Во время Второй мировой войны типы самолетов были практически оптимизированы на предыдущих этапах развития, накопленный знаниевый ресурс использовался постоянно для дальнейшей «шлифовки», а поточное производство самолетов сопротивлялось резким изменениям конструкции (инерция производства).
Тактические характеристики самолетов росли в основном за счет роста мощности двигателей, а также общей мощности оружия. Во второй половине подэтапа появились новые средства для информационной поддержки экипажей самолетов. В Англии были разработаны самолетные РЛС, автоматические прицелы для истребителей, облегчающие попадание при стрельбе на перекрещивающихся курсах, автоматические прицелы для бомбардировщиков, приближающие точность обычного бомбометания к точности пикирующих бомбардировщиков. С этой же целью в Германии разрабатывались радиоуправляемые бомбы. В США разработали системы управления оборонительным огнем бомбардировщика из единого центра, что существенно уменьшило размеры и аэродинамическое сопротивление пулеметных турелей.
При модифицировании существующих образцов достаточно часто происходило расширение их функциональных возможностей. Например, на истребителях устанавливалось крупнокалиберное вооружение, позволяющее использовать их для штурмовки, или устанавливались дополнительные запасы топлива для обеспечения сопровождения дальних бомбардировщиков. Хорошим примером многофункционального модифицирования является двухмоторный самолет De Havilland Mosquito (Англия, 1940г., рис. 28), который выпускался в трех модификациях: легкий скоростной дневной бомбардировщик, разведчик и ночной истребитель (для борьбы с более тихоходными ночными бомбардировщиками). Такая многофункциональность обеспечивалась не только разным оборудованием, устанавливаемым на модификациях, но и параметрами самолета, подходящими для выполнения всех трех функций.
Рисунок 28 – Многоцелевой самолет De Havilland Mosquito. 1940г.
Во время войны создавались и новые типы самолетов, причем причинами этого были не только возрастающие требования, но и ресурсные ограничения. Так дефицит ДВС с водяным охлаждением привел к созданию истребителей с двигателями воздушного охлаждения: Focke-Wulf FW-190 (Германия, 1940-1941г.г.), а также Ла-5 (СССР, 1942г.) и его дальнейшие модификации. При этом высокие скоростные качества были обеспечены в первую очередь за счет увеличения мощности по сравнению с двигателями водяного охлаждения примерно в 1,5 раза. Примером развития дальнего бомбардировщика В-17 с существенной степенью новизны является стратегический бомбардировщик Boeing B-29 Superfortress (США, 1942г.) с герметичной кабиной экипажа, позволяющей совершать длительные полеты на большой высоте.
На данном подэтапе прорабатывались также технические решения, которые будут использованы на дальнейшем этапе развития самолета. В частности, создавались первые самолеты с реактивными двигателями разных типов. Однако рассмотрение этих проработок выходит за рамки настоящей работы.
8.4 Повышение относительной эффективности на третьем этапе
Повышение относительной эффективности самолета на третьем этапе обеспечивалось за счет повышения удельной мощности двигателей и роста аэродинамического качества. Как видно из рис. 13, аэродинамическое качество увеличивалось в основном для транспортных самолетов (пассажирских самолетов и бомбардировщиков, особенно дальних). Для истребителей повышения этого показателя не наблюдается. Дело в том, что для всех типов самолетов на третьем этапе происходило снижение величины аэродинамического сопротивления, входящего в знаменатель выражения для определения аэродинамического качества. А числитель этого выражения, являющийся величиной подъемной силы, рос или оставался таким же только у транспортных самолетов, для которых дальность и экономичность важнее скорости. У истребителей реализовались технические решения, способствующие снижению сопротивления в ущерб подъемной силе: увеличение нагрузки на крыло, ограничение размаха и удлинения крыла. Соответственно коэффициент энергетического качества (рис. 12) у истребителей был ниже, чем у транспортных самолетов. То есть тот или иной показатель относительной эффективности растет практически постоянно, кроме тех случаев, когда его рост не станет мешать росту показателя функционального эффекта (для истребителя – скорости).
9 Некоторые выводы по второму и третьему этапам
Источником развития техники являются осознанные человеком (обществом) соответствующие потребности. При этом потребности, формируемые практикой (боевые действия, экономика), являются более объективными по сравнению с виртуальными (теоретическими) построениями. Следует отметить, что на осознание потребностей абсолютное значение функциональных параметров оказывает большее влияние, чем относительное.
В соответствии с потребностями растут и соответствующие показатели функционального эффекта. Одновременно растут и показатели относительной эффективности, кроме тех случаев, когда их рост не станет мешать росту функционального эффекта.
Кроме параметрических порогов, определяющих работоспособность ТС, существует также пороговое значение относительной эффективности (как отношения полезного результата к затратам), преодоление которого соответствует зоне приемлемости (выгодности) использования ТС. Для различных видов ТС порог относительной эффективности определяется по-разному.
Кроме степени осознания потребности на интенсивность (скорость, разнообразие) развития оказывает влияние фактор инерции производства, а также необходимость накопления определенного знаниевого ресурса и подготовка технологического уровня.
При осознании необходимости в данном техническом средстве и возможности получения требуемых параметров функционально-параметрическая ниша ТС начинает расширяться. Осознается необходимость в выполнении различных функций, являющихся частными случаями общей функции данного класса ТС. (Под частными функциями не следует понимать функции подсистем или элементов, которые являются подфункциями главной функции. Частные функции получаются из общей путем конкретизации изделия или условий функционирования, т.е. путем сужения области действия функции.) Поскольку для разных частных функций требуется различное сочетание основных параметров, не совместимых в одном техническом средстве, функционально-параметрическая ниша начинает дробиться на соответствующие более мелкие ячейки, которые занимаются специализированными видами данной ТС. То есть необходимость специализации определяется не только и не столько наличием соответствующей частной (узкой) функции, сколько противоречиями между параметрами функционирования. Многофункциональность, т.е. возможность выполнения одним видом ТС нескольких частных функций, обеспечивается только совпадением требуемых сочетаний параметров.
Если в ходе развития технического средства, выполняющего определенную частную функцию, исходная параметрическая ячейка освобождается, она чаще всего может быть заполнена другими видами данной ТС, имеющими соответствующие параметры.
Закономерность увеличения количества элементов системы в процессе развития («моно – би – поли») встречается достаточно часто как средство преодоления запретов (или невозможности) интенсификации параметров отдельного элемента. При этом мультипликации (в частности, удвоению) могут подвергаться не только отдельные элементы, но и группы элементов. Наиболее удачными являются те варианты мультипликации, которые за счет возникших дополнительных полезных системных эффектов позволяют разрешить некоторые существующие (обостряющиеся) противоречия в системе.
Также достаточно часто встречается передача действий человека техническим средствам, которая происходит в тех случаях, когда возможности (способности) человека становятся недостаточными (в энергетических и информационных потоках).
Повышение степени динамизма реализуется только в том случае, когда возникающие при этом отрицательные эффекты будут признаны несущественными по сравнению с приобретаемыми положительными эффектами (или могут быть приведены к состоянию несущественных). В тех случаях, когда динамизированная структура подходит к параметрической границе своего существования, она чаще всего заменяется нединамичной структурой, использующий иной принцип работы.
Переход на микроуровень (к управлению более сложными формами движения материи) происходит при исчерпании возможностей существующего принципа действия, использующего более простые формы движения материи.
Оптимизационное согласование осуществляется постоянно, но его виды определяются различными конкретными факторами (ситуациями).
10 Заключение
Рассмотрение трех этапов развития технических средств, которые входят в класс «техническая система самолет», включающих процессы возникновения и развития винто-поршневых самолетов, показало, что процесс этот является сложным и многофакторным. В процессе развития реализуется значительное число известных ЗРТС. Однако действие большинства из них не является безусловным.
Безусловно действуют закономерности построения, обеспечивающие работоспособность, а также закон обеспечения удовлетворения осознаваемых общественных потребностей с помощью данного класса технических средств. Все остальные закономерные формы развития срабатывают только при обострении соответствующих противоречий, присущих данной ТС, и фактически являются формами разрешения данных противоречий.
Например, потребность и средство ее удовлетворения составляют единство противоположностей, поскольку потребность всегда растет быстрее возможности её удовлетворения и поскольку потребность фактически не имеет границ, а возможности (ресурсы) всегда ограничены. Данное противоречие разрешается в двух формах: во-первых неуклонно реализуются решения, которые повышают относительную эффективность (то есть уменьшают затраты на единицу полезного результата), во-вторых, ресурсы направляются в первую очередь на изменение тех частей системы, которые обеспечивают получение полезного результата и/или устранение нежелательных эффектов. Следствием первой формы является закономерность «повышения степени идеальности ТС», а второй – «неравномерность развития частей системы».
Также, например, специализация является формой разрешения противоречия, обусловленного необходимостью реализации в одном техническом средстве не сочетаемого комплекса параметров функционирования, находящихся в отношениях противоречия друг с другом.
Правда, эти (закономерные) противоречия и формы их разрешения в ходе развития ТС встречаются весьма часто, так что вероятность реализации соответствующих ЗРТС в процессе развития систем высока. Кроме того, подход к ЗРТС как формам разрешения соответствующих противоречий необходим только при моделировании развития ТС, когда нужно с высокой степенью достоверности предсказать ближайшие несколько состояний системы с привязкой ко времени. В тех случаях, когда достаточно просто описать возможные будущие варианты системы без привязки ко времени и без оценки вероятности реализации (как в морфологическом ящике или как в массиве патентной информации), достаточно использовать ЗРТС как увязанный некоторым образом перечень.
Разумеется, объем рассмотренного материала не позволяет распространить полученные выводы на развитие всех классов технических средств. Целесообразно проверить применимость этих выводов на примерах других систем, для чего должны быть привлечены не только специалисты в области ТРИЗ, но и специалисты в соответствующих областях техники.
Использованные источники
1. Соболев Д.А. История самолетов. Начальный период – М.: РОССПЭН, 1995
2. Соболев Д.А. История самолетов 1919-1945 – М.: РОССПЭН, 1997
3. Пышнов В.С. Основные этапы развития самолета – М.: Машиностроение, 1984
4. Уайз Дж. Удивительные мускололеты Сиуэллского аэродрома // Популярная механика. 2014. №3. С. 66-71
5. Кудрявцев А.В. Тонкая структура идеальной модели ТС – 2006 - http://www.triz-summit.ru/ru/section.php?docld=4107
6. Голдовский Б.И., Вайнерман М.И. Рациональное творчество – М.: «Речной транспорт», 1990
7. Шухов В.Г. Избранные труды. Строительная механика – М.: Наука, 1977
8. Юрьев Б.Н. Экспериментальная аэродинамика. Часть II. Индуктивное сопротивление – М., Л.: Оборонгиз. 1938
9. Любомирский А., Литвин С. Законы развития технических систем - GEN3 Partners, 2003 - http://www.metodolog.ru/00767/00767.html
10. Vladimir Petrov. The Laws of System Evolution. Berlin: TriS Europe GmbH, 646 pages, published in Russian. INNOVATOR (06) 01/2013, ISSN 1866-4180. Петров В. Законы развития систем - Тель-Авив, 2013
Нижний Новгород,
май 2014г.
