Автор: Беляков Борис Антонович, 16 лет
МБОУ «Лицей 33», МБУ ДО Центр внешкольной работы №2
Иваново, Ивановская область, Россия
Руководитель: Ремезов Николай Алексеевич, МБУ ДО ЦВР №2

Как проявляются законы развития технических систем в авиационных конструкциях?

Я выбрал тему «Как проявляются законы развития технических систем в авиационных конструкциях?», поскольку мне интересно, какой будет авиация будущего. 

Законы развития технических систем (ЗРТС) были впервые сформулированы Г.С. Альтшуллером при создании теории решения изобретательских задач (ТРИЗ). Генрих Альтшуллер изучил эволюцию технических систем (ТС) и сформулировал законы их развития. Таким образом, знание закономерностей и законов, которым подчиняются ТС, дает возможность предсказывать пути возможных изменений и улучшений систем. Чтобы ответить на вопрос, какой будет авиация будущего, нужно изучить изменения конструкций летательных аппаратов (ЛА), найти общие закономерности развития и на их основе сделать прогноз.

Цель работы:

Выявить, как проявляются законы развития технических систем в авиационных конструкциях.

Для достижения поставленной цели последовательно решаются следующие задачи:

1. Разобраться с понятиями технической системы и законами развития технических систем.
2. Рассмотреть основные законы развития технических систем.
3. Рассмотреть проявление законов развития технических систем в истории авиации и воздухоплавания.
4. Спрогнозировать, как будет развиваться авиация в будущем с точки зрения законов развития технических систем.

План:

1. Введение
2. Техническая система и законы её существования и развития
     2.1. Техническая система
     2.2. Законы «статики»
     2.3. Законы «кинематики»
     2.4. Законы «динамики»
     2.5. Другие законы развития ТС
3. Законы развития ТС в авиационных конструкциях
4. Направления развития авиации в будущем на основе законов развития технических систем
5. Заключение
6. Список литературы

1. Введение

В 50-х годах прошлого века талантливый инженер и изобретатель Генрих Саулович Альтшуллер на основе изучения большого количества выданных патентов на изобретения создал систему, позволяющую эффективно находить решения технических проблем и противоречий, разработал алгоритм решения открытых задач (т.е. изобретательских, исследовательских). Эта система получила название - Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ). Г. Альтшуллер также сформулировал основной постулат ТРИЗ: «технические системы развиваются по объективно существующим законам, эти законы познаваемы, их можно выявить и использовать для сознательного решения изобретательских задач» [1]. Г. Альтшуллер сформулировал эти законы в рамках ТРИЗ.

Изучение ЗРТС позволяет определить причинно-следственные связи становления технической системы, дает возможность прогнозировать ее эволюцию.

Современный летательный аппарат – очень сложная техническая система, в которую входит множество самостоятельных подсистем. Развитию каждой из них можно посвятить отдельное исследование. В данной работе будем рассматривать только основные свойства ЛА, такие как скорость, маневренность, грузоподъёмность, дальность.

2. Техническая система и её законы существования и развития

2.1. Техническая система

Для того, чтобы разобраться с ЗРТС необходимо определить, что же такое ТС?

К сожалению, непосредственно понятие «Техническая Система» у Г. Альтшуллера не дано. Определение понятия «Техническая Система» применительно к ТРИЗ приведено в книге Ю. Саламатова «Система законов развития техники»:
Техническая система – это совокупность упорядоченно взаимодействующих элементов, обладающая свойствами, не сводящимися к свойствам отдельных элементов, и предназначенная для выполнения определенных полезных функций[2].

Другими словами, техническая система – это некий объект, выполняющий определенную функцию. Простейшей технической системой является – рычаг (Рис.1). Главная функция рычага - это перемещение предметов.

Рис.1. Рычаг

В рамках теории ТРИЗ Г. Альтшуллер сформулировал ряд законов развития технических систем, а также дал определение ЗРТС:
Закон развития технической системы – существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между элементами внутри системы и с внешней средой в процессе прогрессивного развития, перехода системы от одного состояния к другому с целью увеличения её полезной функциональности.

Рассмотрим эти законы [3].

2.2. Законы «статики»

Законами «статики» называют законы развития технических систем, без которых ТС не может существовать. Основных законов «статики» три:

   1) Закон полноты частей системы

Необходимым условием жизнеспособности ТС является наличие и работоспособность основных частей системы. Каждая ТС должна включать 4 основные части: источник энергии, трансмиссию, рабочий орган и средство управления.

Двигатель является накопителем или источником энергии. Трансмиссия транспортирует энергию от двигателя к рабочему органу. Рабочий орган передает энергию элементам окружающей среды (изделию) и завершает выполнение требуемой функции. Средство управления регулирует поток энергии по частям ТС и согласует их работу во времени и пространстве.

Например, у радиоуправляемой модели ЛА источником энергии является аккумулятор, трансмиссией – электромотор, рабочим органом – винты, а средством управления – радиоаппаратура и сервоприводы.

    2) Закон «энергетической проводимости» системы

Необходимым условием жизнеспособности ТС является сквозной проход энергии по всем частям системы. Также к этому закону приписывают три правила разработки ТС:

1. При разработке ТС надо стремиться к использованию одного вида энергии (поля) на все процессы в технической системе.
2. Если ТС состоит из веществ, менять которые нельзя, то используют поле, хорошо проводимое веществами системы.
3. Если вещества частей системы можно менять, то плохо управляемое поле заменяется хорошо управляемым.

Таким образом, если к какой-то части системы не подводится энергия, или эта часть не пропускает энергию, то эта часть не нужна ТС, либо ТС будет неработоспособна.

    3) Закон согласования ритмики частей системы

Необходимым условием жизнеспособности системы является согласование (или рассогласование) параметров системы: частоты колебаний, а также материалов, форм, размеров, температуры. Другими словами, для того, чтобы ТС могла выполнять свою функцию, необходимо согласовать все части этой системы.

2.3. Законы «кинематики»

Группа законов «Кинематика» показывает, как далее будет развиваться уже существующая техническая система.

    1) Закон увеличения степени идеальности системы

Развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности.

Идеальная ТС – это система, масса, габариты и энергоемкость которой стремятся к нулю, а работоспособность при этом не уменьшается.

Идеальный конечный результат и идеальность – одни из основных понятий в ТРИЗ. К ним нужно стремиться при создании систем и решении изобретательских задач.

    2) Закон неравномерности развития частей системы

Развитие частей системы происходит неравномерно, причем чем сложнее система, тем неравномернее развитие ее частей.

В сложной ТС, как правило, есть множество подсистем, которые можно развивать отдельно. Если необходимо улучшить только одно свойство основной ТС, то изменяют некоторые подсистемы, а не всю ТС в целом.

    3) Закон перехода в надсистему

В ТРИЗ есть прием, который называется «Системный оператор». Он позволяет рассмотреть объект во времени и пространстве. За пространство отвечают понятия «надсистема» и «подсистема» (более подробно о системном операторе можно посмотреть здесь [3]).

Закон «перехода в надсистему» формулируется так:

Развитие системы, достигшей своего предела, может быть продолжено на уровне надсистемы. Главный смысл перехода – появление новых качеств или функций.

Например, по «закону перехода в надсистему», для автомобилей придумали асфальтированные дороги, разметку, светофоры, составили правила дорожного движения.

2.4. Законы «динамики»

Законами «динамики» называют такие законы развития технических систем, которые показывают, как будет развиваться ТС с использованием современных (передовых, инновационных) технологий и знаний.

    1) Закон перехода с макроуровня на микроуровень

Развитие рабочих органов системы идет сначала на макроуровне, а затем на микроуровне с последующим использованием полей. Другими словами, части системы разбиваются на молекулы, которыми проще управлять.

Генрих Альтшуллер в книге «Найти идею»[3] приводит пример изменения системы по закону «перехода с макроуровня на микроуровень»: для изготовления оконных стекол использовался конвейер. Раскалённое стекло катилось по роликам и деформировалось, на поверхности появлялись волны. Уменьшить диаметр ролика было недостаточно: нужно было что-то гораздо более мелкое, чем ролик. Например, молекулы. Поэтому стали применять вместо конвейера оловянную ванну: стекло плывет по расплавленному олову, как по конвейеру.

    2) Закон повышения степени вепольности

Развитие технических систем идет в направлении увеличения степени вепольности. Веполь – вещество + поле. Другими словами, веполь – вещество, управляемое полем. Вепольность – понятие абстрактное, применяемое в ТРИЗ для описания некоторого вида отношений. В данном контексте слово «вепольность» можно понимать как «управляемость полем». Возможен и обратный процесс – когда с помощью введения вещества изменяют характеристики поля.

Например, для точных перемещений вместо винта можно использовать такой материал, который при нагревании сильно меняется в объёме. Его размерами можно управлять с помощью теплового поля, то есть – это изменение системы по «закону повышения степени вепольности».

2.5. Другие законы развития ТС

Выделяют ещё три отдельных закона развития технических систем.

    1) Закон повышения степени динамичности и управляемости

Жесткие системы переходят к более гибким, улучшается динамичность и управляемость. Изменения происходят по такой цепочке:
один шарнир - много шарниров - гибкое вещество - жидкость - газ - постоянное поле - импульсное поле - переменное поле - поле с изменением фазы или частоты.

    2) Закон развертывания-свертывания ТС

Улучшение ТС осуществляется развертыванием, т. е. увеличением количества и качества выполняемых функций за счет усложнения системы, и свертыванием, т. е. упрощением системы при сохранении или увеличении количества и качества выполнения функций.

    3) Закон вытеснения человека из ТС

Техническая система, развиваясь, становится менее зависима от человека, а затем полностью автономна.

Например, система автопилота в средствах передвижения появилась по закону «вытеснения человека из ТС».

Все технические системы развиваются по определённому сценарию [4]. Если представить «линию жизни» (изменение свойства) технической системы от времени, то получится S-образная кривая. Например, на Рис.2 представлена зависимость водоизмещения кораблей от времени [5].

Рис. 2. Зависимость водоизмещения кораблей от времени

Сначала система проходит период становления: развивается, набирает обороты; затем идет бурный рост, из системы выжимается все, на что она способна. После, когда система уже не может совершенствоваться, её развитие прекращается, наступает период стабилизации. Для дальнейшего развития необходимы коренные изменения в системе. Эти изменения происходят по ЗРТС.

3. Законы развития ТС в авиационных конструкциях

На основе изучения ЗРТС постараемся найти проявление их в авиационных конструкциях.

Все летательные аппараты - технические системы по определению (см. п.2.1). Даже простейший ЛА - бумажный самолётик - обладает всеми свойствами ТС и выполняет функцию полёта.

По «закону полноты частей системы» у любого летательного аппарата есть все четыре обязательные части: источник энергии, трансмиссия, рабочий орган и средство управления.

Например, для бумажного самолетика источником энергии служит физическая сила человека, пускающего самолет, рабочим органом являются несущие плоскости крыльев, трансмиссия совмещена с рабочим органом, а средством управления является также человек, который запустил самолетик в заданном направлении.

Проявление закона полноты частей системы для различных типов ЛА представлены в таблице:

По «закону энергетической проводимости частей системы» механическая энергия подъёмной силы (у самолётов и планеров), или силы Архимеда (у дирижаблей и аэростатов), или реактивной силы (у ракет) должна проходить по всем частям ЛА. Иначе часть, на которую не действует сила, а значит по которой и не проходит механическая энергия, не будет совершать полёт.

Работа частей летательного аппарата обязательно должна быть согласована по «закону согласования ритмики системы», иначе они могут мешать друг другу работать, а, следовательно, ухудшать характеристики ЛА. Проявление закона согласования ритмики системы в авиации проиллюстрируем на следующем примере. У каждого самолёта есть эксплуатационные ограничения, в том числе и по максимальной скорости. Если самолёт превысит допустимую скорость, произойдет явление "флаттер" (от англ. flutter «дрожание, вибрация»): концы крыла начнут колебаться, что в итоге может привести к разрушению конструкции.

Летательные аппараты постоянно совершенствовались - сначала были воздушные шары и планеры, потом на них установили двигатели, тем самым усложнив конструкцию, но придав новые характеристики - появились дирижабли и самолёты. Такой переход обусловлен законом развертывания-свертывания ТС.

Переход от бипланов к монопланам позволил упростить конструкцию, сохранив прежние качества - это пример свертывания системы.

С появлением реактивного двигателя, стреловидного крыла, самолёты получили возможность преодолевать скорость звука. В настоящее время самолёты становятся все сложнее и сложнее, система «развертывается». С появлением новых технологий, материалов, источников энергии техническая система – летательный аппарат начнет «свёртываться», конструкция будет упрощаться. Это сейчас уже можно проследить на примере использования композитных материалов, применение которых позволяет облегчить конструкцию, упростить производство, и увеличить такие показатели как скорость, грузоподъемность, экономичность и др.

Закон неравномерности развития частей системы говорит о том, что эволюция различных подсистем распределена во времени, происходит несинхронно. Чем сложнее система, тем больше проявляется неравномерность. Рассмотрим это на примере летных характеристик самолета.

Если стоит задача увеличения скорости, то модифицируют не все части самолета, а только те, которые приведут к желаемому результату: его облегчают, увеличивают мощность силовой установки, уменьшают сопротивление воздуха. Для улучшения штопорных характеристики самолёта, изменяют механизацию крыла, добавляют закрылки или предкрылки, меняют профиль крыла и угол «V». При этом, например, электроника, РЛС и другте системы совершенствуются в своем ритме, зависящем от появления новых технологий и задач.

С развитием авиации, с появлением грузопассажирских авиаперевозок, военных задач возникала новая авиационная отрасль, для обслуживания которой создавалась необходимая инфраструктура: аэродромы, авиационные заводы, конструкторские бюро, авианесущий флот и др. Таким образом, согласно «закона перехода в надсистему» произошел переход в надсистему, который значительно расширил возможности ЛА.

Проявление «закона перехода с макроуровня на микроуровень» можно рассмотреть на примере развития авиационных двигателей (Рис.3.). Изначально в качестве рабочего органа использовался винт, который создаёт воздушный поток. С появлением реактивных двигателей рабочим органом стал служить поток раскаленных молекул газа, что является подтверждением перехода на микроуровень.

Рис.3. Авиационные двигатели

Одним из важных понятий в теории изобретательства является веполь. Веполь – это связь вещества и поля, т.е. вещество, управляемое полем. По «закону увеличения степени вепольности», когда усилий пилота уже не хватало для отклонения элементов управления в полёте, перешли от обычных тросовых и балочных тяг к гидравлическим системам. Плоскости стали управляться полем давления в жидкости.

По «закону увеличения динамичности и управляемости» появились убирающиеся шасси, воздушные тормоза, закрывающийся фонарь кабины, отклоняемая носовая часть и другие элементы механизации. Особенно сильно развивалось крыло (Рис.4). От жесткого крыла без каких-либо отклоняющихся плоскостей перешли к крылу с элеронами. Далее появились закрылки и предкрылки различных типов, интерцепторы, тормозные щитки, складывающиеся консоли, крыло с изменяемой геометрией. Крыло современного авиалайнера насчитывает 6-7 типов различных элементов механизации.

Рис.4. Динамика развития крыла

По «закону вытеснения человека из ТС» появились приборы, навигационные системы, радиолокационные станции, автопилот и другие элементы, облегчающие работу пилота. В настоящее время активно развиваются беспилотные летательные аппараты (БПЛА), способные самостоятельно оценивать окружающую обстановку.

4. Направления развития авиации в будущем на основе законов развития технических систем

На основе проведенного исследования влияния законов развития технических систем в авиационных конструкциях попробуем спрогнозировать развитие авиации в будущем.

Начнем с самого активно развивающего сегмента летательных аппаратов – беспилотников. Согласно «закону вытеснения человека из ТС», тенденция к увеличению использования БПЛА сохранится надолго, так как беспилотная авиация (и не только) находится в конце периода становления, переходит к бурному росту.

В недалёком будущем искусственный интеллект (ИИ) будет управлять летательными аппаратами, самостоятельно принимать решения для выполнения поставленной задачи, а возможно и ставить их самостоятельно. Пилота заменит оператор, который будет только контролировать работу ИИ.

Рассмотрим динамику изменения скорости самолетов по этапам развития. На рис.5 представлены графики изменения скорости самолетов от времени для различных конструктивных решений, отражающих соответствующие эпохи развития авиации [6]. Каждый график представляет собой S-образную кривую с периодом роста и стабилизации (чтобы не загромождать рисунок, здесь опущен период становления). Продолжая тенденцию общего графика, можно предположить, что в ближайшем будущем (или уже сейчас) должен начаться процесс становления новых технических решений, который в итоге приведет к существенному увеличению скорости самолетов.

Рис.5 График изменения скорости самолётов

Экологические проблемы, истощение природных запасов углеводородов подталкивает авиацию к поиску иных источников энергии, использование которых спровоцирует изменение не только облика ЛА, но и, по «закону перехода в надсистему», облик инфраструктуры и авиации в целом.

Со временем конструкции ЛА усложняются, значит наступит момент, когда, по закону «развертывания-свертывания ТС» они станут проще. В настоящее время у самолёта классической схемы несущими плоскостями являются крыло и стабилизатор, фюзеляж представляет собой полезную нагрузку, но подъёмной силы не создаёт. Уже сейчас появляются новости о разработках самолёта будущего типа «летающее крыло». У такого самолёта фюзеляжа нет, и вся плоскость является несущей. Система крыло-фюзеляж-стабилизатор «свернётся» в крыло.

Еще один из футуристических прогнозов можно дать на основе законов повышения степени вепольности и перехода с макроуровня на микроуровень. Вполне возможно, что механизация управляющих плоскостей, которая становится все более сложной и многофункциональной, будет заменена на единое гибкое крыло, форма которого будет изменятся под управлением одного или нескольких полей. Такое изменение существенно расширит возможности летательных аппаратов.

Любая ТС стремится к идеальности (закон увеличения степени идеальности системы). Идеальная система - это система которой нет, а функции ее выполняются. Значит, в будущем нас ждет совершенно новые ЛА, работающие на других принципах, или же вообще их функцию будет выполнять что-то, пока нам неизвестное.

5. Заключение

Существует еще много примеров проявления ЗРТС в авиации. Однако, охватить их в полном объеме, в рамках данной работы невозможно. В связи с тем, что ЛА - это сложная ТС, разработкой которой занимается большое число конструкторских бюро, идеи для совершенствования ЛА приходят порой совершенно из других областей техники и технологий, не связанных с авиацией. На примере авиационной отрасли мы можем наблюдать синтез техники и технологий из различных областей знаний, что подтверждает системный подход к созданию ТС в современном мире.

6. Список литературы

1. Альтшуллер, Г.С., Злотин, Б.Л., Зусман, А.В., Филатов В.И. Поиск новых идей: от озарения к технологии. - Кишинев: Картя Молдовеняскэ, 1989. - с. 7.
2. Саламатов, Ю. П. Система законов развития техники (Основы теории развития Технических систем). INSTITUTE OF INNOVATIVE DESIGN. Красноярск, 1996г. http://www.trizminsk.org/e/21101000.htm (дата обращения 10.12.2018)
3. Альтшуллер, Г. Найти идею: Введение в ТРИЗ – теорию решения изобретательских задач. – 9-е изд. – М.: АльпинаПаблишер, 2016. – 402 с.
4. Альтшуллер, Г. С. Творчество как точная наука – М.: Сов. Радио  – 1979, с.113-119
5. Кынин, А. Развитие технических систем / Кынин А. и др. http://www.metodolog.ru/01488/01488.html (дата обращения 10.12.2018)
6. Голдовский, Б.И. Заметки к развитию технического средства «самолет» http://www.metodolog.ru/node/1840 (дата обращения 10.12.2018)
7. Альтов, Г. С.  И тут появился изобретатель... – М.: Дет. лит., 2001 – 160 с.
8. Альтшуллер,Г. О прогнозировании развития технических систем. – Баку, 1975. – 13 с. http://www.altshuller.ru/triz/zrts3.asp (дата обращения 10.12.2018)
9. Шпаковский, Н. Человек и Техническая Система (часть I) – 2003 http://www.gnrtr.ru/Generator.html?pi=201&cp=3 (дата обращения 10.12.2018)
10. https://4brain.ru/triz/index.php (дата обращения 10.12.2018)