Автор работы: студент гр АД-2223 Файзуллин Назар Рустемович
Научный руководитель: к.т.н. Дикова Флорида Амировна
ФГБОУ ВО УУНиТ
Институт среднего профессионального образования
Техническое отделение

Как проявляются законы развития технических систем в авиационных конструкциях?

Содержание

1. Теоретические основы и исторические аспекты развития авиационных конструкций
  1.1. Законы развития технических систем (ЗРТС): теоретический обзор
2. Примеры развития авиационных технологий в соответствии с ЗРТС
  2.1. Обзор проявления законов развития технических систем в авиации
    2.1.1. Закон увеличения степени идеальности системы
    2.1.2. Закон S-образного развития технических систем
    2.1.3. Закон динамизации
    2.1.4. Закон полноты частей системы
    2.1.5. Закон сквозного прохода энергии
    2.1.6. Закон опережающего развития рабочего органа
    2.1.7. Закон перехода «моно — би — поли»
    2.1.8. Закон перехода с макро- на микроуровень
  2.2. Детальный анализ на примере эволюции пяти поколений истребителей
    2.2.1. Первое поколение истребителей 1940-е — начало 1950-х годов
    2.2.2. Второе поколение истребителей 1950-е — 1960-е годы
    2.2.3. Третье поколение истребителей 1960-е — 1970-е годы
    2.2.4. Четвертое поколение истребителей 1970-е — 1990-е годы
    2.2.5. Пятое поколение истребителей с 2000-х годов
    2.2.6. Перспективы шестого поколения истребителей
3. Перспективы развития авиации и авиационных двигателей на основе ЗРТС
  3.1. Прогнозирование развития авиационных конструкций
  3.2. Стремление к идеальности в будущих авиационных конструкциях
  3.3. Динамизация и адаптивность авиационных конструкций
  3.4. Переход на микро- и наноуровень в технологиях
  3.5. Закон перехода «моно — би — поли» в авиации будущего
  3.6. Развитие авиационных двигателей и опережающее развитие рабочих органов
  3.7. Ключевые прогнозы
Заключение
Список литературы
Приложения

Введение

“Мышление талантливо тогда, когда оно работает
в соответствии с законами внешнего мира.”
(Г. С. Альтшуллер, автор ТРИЗ)

Полагаю, что каждый творец хотя бы раз в жизни задавался вопросом о систематизации искусства, стремясь найти ответы на вопросы, которые уже сотни лет не дают покоя представителям всех творческих профессий, от писателя до инженера.

Как возникают новые идеи? Является ли творческий процесс результатом внезапного озарения или же он подчиняется определённым закономерностям? Возможно ли создать и развить систему искусства, следуя определенным правилам и алгоритмам? Существуют ли такие правила и алгоритмы?

Ответы на эти вопросы начали появляться с развитием научного подхода в XVII веке. Обобщив работы других ученых и проведя самостоятельные исследования, Г. С. Альтшуллер в своей книге «Творчество как точная наука», вышедшей в 1979 году, впервые сформулировал законы развития технических систем (ЗРТС). [1]

Эти законы стали основой теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) и активно используются для анализа и прогнозирования развития технических систем. 

Актуальность исследования: Авиационная отрасль является одной из наиболее динамично развивающихся сфер техники, где инновации играют ключевую роль в балансе между эффективностью, безопасностью и экологичностью полетов. Понимание ЗРТС позволяет не только анализировать прошлые достижения, но и прогнозировать будущие направления развития авиационных конструкций.

Цель работы: узнать, как проявляются законы развития технических систем в авиационных конструкциях?

Задачи исследования:

1. Исследовать теорию и исторические аспекты законов развития технических систем и их применения в авиации.
2. Проанализировать конкретные примеры развития авиационных технологий в соответствии с ЗРТС.
3. Спрогнозировать будущее развитие авиации и авиационных двигателей на основе ЗРТС.

Методы исследования: Теоретический анализ, исторический анализ, систематизация информации, сравнительный анализ, прогнозирование.

Практическая значимость: Результаты исследования могут дать понимание в процессе разработки стратегий развития в авиационной промышленности. а также в образовательных целях для подготовки студентов к творческой работе.

Рис. 1. Г. С. Альтшуллер, автор ТРИЗ

1. Теоретические основы и исторические аспекты развития авиационных конструкций

1.1. Законы развития технических систем (ЗРТС): теоретический обзор

Общие сведения о ЗРТС

Законы развития технических систем (ЗРТС) были сформулированы Генрихом Сауловичем Альтшуллером в рамках теории решения изобретательских задач (ТРИЗ). Эти законы отражают фундаментальные закономерности эволюции технических систем и служат инструментом для прогнозирования их дальнейшего развития. Понимание ЗРТС позволяет инженерам и исследователям систематизировать знания о процессе инноваций и целенаправленно создавать новые технические решения.

Основные законы развития технических систем [1]

1. Закон увеличения степени идеальности системы: Технические системы эволюционируют в направлении повышения своей идеальности, то есть увеличения соотношения между полезными функциями и затратами на создание и эксплуатацию. Система стремится выполнять свои функции с наибольшей эффективностью при минимальных затратах и негативных последствиях.

2. Закон S-образного развития технических систем: Развитие технических систем происходит по S-образной кривой, включающей стадии зарождения, роста, зрелости и упадка. На каждой стадии характерны свои особенности развития и задачи для инноваций.

Рис. 2. S-образная кривая

3. Закон динамизации: Со временем системы переходят от статических форм к более гибким и динамичным, что повышает их адаптивность к изменяющимся условиям эксплуатации.

4. Закон полноты частей системы: Для эффективного функционирования система должна включать все необходимые компоненты, обеспечивающие выполнение ее основных функций.

5. Закон сквозного прохода энергии: Эффективность системы повышается при оптимизации передачи энергии через все ее компоненты с минимальными потерями.

6. Закон опережающего развития рабочего органа: Ключевые элементы системы (рабочий орган) развиваются быстрее вспомогательных, что может приводить к несбалансированности и требовать модернизации других частей системы.

7. Закон перехода «моно — би — поли»: Системы эволюционируют от простых к более сложным, объединяя несколько однотипных элементов для улучшения характеристик.

8. Закон перехода с макро- на микроуровень: Для улучшения характеристик системы используются эффекты микро- и наномиров, что приводит к миниатюризации компонентов и повышению их функциональности.

Изобретатель сформулировал ЗРТС, которые он разделил на три группы:

Законы статики: 1–3. Эти законы определяют условия возникновения и формирования технических систем.

Законы кинематики: 4–6, 9. Они описывают закономерности развития технических систем независимо от воздействия физических факторов. Эти законы важны на начальных этапах роста и расцвета технических систем.

Законы динамики: 7–8. Эти законы описывают закономерности развития технических систем под воздействием конкретных физических факторов. Они важны на завершающем этапе развития технических систем и при переходе к новым системам.

Один из самых важных законов — это закон «идеальности», который является одним из ключевых понятий в теории решения изобретательских задач (ТРИЗ).

Законы развития технических систем служат инструментом для анализа существующих технологий и прогнозирования их развития.

Применение законов развития технических систем к эволюции авиационных конструкций позволяет:

• Понять причины технологических изменений: Например, переход от бипланов к монопланам объясняется стремлением повысить идеальность системы за счет улучшения аэродинамики.
• Выявить закономерности развития: Наблюдается постоянное стремление к повышению эффективности, безопасности и экономичности полетов.
• Прогнозировать будущие тенденции: Исходя из ЗРТС, можно предположить дальнейшую интеграцию систем, развитие адаптивных материалов и переход к альтернативным источникам энергии.

Теоретические основы законов развития технических систем и их применение в историческом контексте развития авиационных конструкций демонстрируют их значимость для понимания эволюции технологий. Законы ЗРТС не только объясняют прошлые изменения, но и служат инструментом для прогнозирования и целенаправленного развития новых технических решений в авиации.

2. Примеры развития авиационных технологий в соответствии с ЗРТС

2.1. Обзор проявления законов развития технических систем в авиации

В данной части главы рассмотрим, как каждый из законов развития технических систем проявлялся на протяжении всей истории развития авиации. Это позволит понять общие тенденции и закономерности, характерные для эволюции авиационных конструкций.

2.1.1. Закон увеличения степени идеальности системы

Проявление в авиации:

• Повышение эффективности двигателей: Переход от поршневых к реактивным и турбовентиляторным двигателям, использование более эффективных видов топлива.
• Использование новых материалов: Внедрение алюминиевых сплавов, титана, композитных материалов для снижения массы и увеличения прочности конструкций.
• Улучшение аэродинамики: Оптимизация формы крыла, фюзеляжа и других элементов для снижения сопротивления воздуха.
• Внедрение цифровых технологий: Применение систем ЭДСУ, улучшение навигации и управления полетом.

2.1.2. Закон S-образного развития технических систем

Проявление в авиации:

• Поршневые двигатели: Достигли стадии зрелости и были заменены реактивными двигателями.
• Сверхзвуковые пассажирские самолеты: После периода роста их использование прекратилось из-за экономических и экологических ограничений. (Приложение А, рис. 4.)
• Развитие БПЛА: Беспилотные летательные аппараты сейчас находятся на стадии активного роста.

2.1.3. Закон динамизации

Проявление в авиации:

• Крылья изменяемой стреловидности: Позволяют оптимизировать характеристики в разных режимах полета.
• Адаптивные конструкции: Использование материалов с памятью формы и активных систем управления потоком воздуха.
• Морфинг-технологии: Перспективное направление, позволяющее изменять форму крыла в полете.

2.1.4. Закон полноты частей системы

Проявление в авиации:

• Интегрированные системы авионики: Объединение навигации, связи, управления и других функций в единую систему
• Комплексные системы безопасности: Включают системы предупреждения столкновений, автоматического предотвращения сваливания и другие. 

2.1.5. Закон сквозного прохода энергии

Проявление в авиации:

• Оптимизация работы двигателей: Совершенствование конструкции для максимального использования энергии топлива.
• Использование электрических систем вместо гидравлических: Снижение потерь энергии и массы системы.
• Энергосберегающие технологии: Внедрение систем рекуперации энергии и более эффективных источников питания.

2.1.6. Закон опережающего развития рабочего органа

Проявление в авиации:

• Развитие двигателей: Быстрое совершенствование двигательных технологий требовало обновления аэродинамики и структурных компонентов самолета.
• Современные системы управления: Внедрение продвинутых систем управления полетом требовало адаптации кабины пилотов и обучения персонала, а также широкой автоматизации.

2.1.7. Закон перехода «моно — би — поли»

Проявление в авиации:

• Многодвигательные самолеты: Переход от одномоторных к двум и более двигателям для повышения безопасности и мощности.
• Многофункциональные самолеты: Способность выполнять различные задачи (например, истребитель-бомбардировщик).

2.1.8. Закон перехода с макро- на микроуровень

Проявление в авиации:

• Микроэлектромеханические системы: Использование в датчиках и системах управления для повышения точности и снижения веса.
• Наноматериалы: Применение для создания более легких и прочных конструкций.
• Микропотоки и микрореактивные системы: Перспективные технологии для управления аэродинамическими характеристиками.

Исторический анализ подтвердил, что развитие авиации тесно связано с принципами ЗРТС, что позволяет систематизировать знания о технологических изменениях.

2.2. Детальный анализ на примере эволюции пяти поколений истребителей

Эволюция истребителей служит наглядным примером применения ЗРТС в практике авиационного конструирования. Рассмотрим, как каждый закон проявлялся при переходе от одного поколения истребителей к следующему.

2.2.1. Первое поколение истребителей -1940-е – начало 1950-х годов

Истребители этого поколения были оснащены преимущественно поршневыми двигателями и имели прямое крыло. В то время они не имели радаров и управляемого вооружения. 

Проявление ЗРТС:

• Закон увеличения идеальности: Стремление к повышению скорости и высоты полета привело к внедрению реактивных двигателей.
• Закон опережающего развития рабочего органа: Быстрое развитие двигателей потребовало адаптации конструкции всего самолета в целом. 

2.2.2. Второе поколение истребителей - 1950-е — 1960-е годы

Второе поколение внесло в авиацию мощные реактивные двигатели с форсажными камерами, стреловидное крыло самолета, а также появление радаров и управляемого вооружения.

Проявление ЗРТС:

• Закон динамизации: Изменение формы крыла для полетов на сверхзвуковых скоростях.
• Закон сквозного прохода энергии: Улучшение аэродинамики и двигателей для эффективного преодоления звукового барьера.

2.2.3. Третье поколение истребителей - 1960-е — 1970-е год

В этом поколении они уже могли летать на сверхзвуковых скоростях, обладали более совершенными радарами и системами, а также были способны вести масштабные воздушные бои. 

Проявление ЗРТС:

• Закон увеличения идеальности: Повышение боевых возможностей при сохранении или снижении затрат.
• Закон полноты частей системы: Внедрение комплексных систем вооружения и защиты.

2.2.4. Четвертое поколение истребителей - 1970-е — 1990-е годы

На этом этапе истребители достигли высоких показателей маневренности тяговооруженности, а их системы управления стали более цифровыми и многофункциональными.

Проявление ЗРТС:

• Закон динамизации: Цифровые системы управления позволили улучшить маневренность и стабильность.
• Закон перехода «моно — би — поли»: Расширение функционала истребителей для выполнения различных задач.

2.2.5. Пятое поколение истребителей - с 2000-х годов

Сегодня самые передовые самолеты оснащены стелс-технологиями, высокоточными системами наведения, а также отличаются повышенной маневренностью. Кроме того, они объединены в единую информационную сеть.

Проявление ЗРТС:

• Закон перехода с макро- на микроуровень: Использование наноматериалов и специальных покрытий для снижения заметности.
• Закон увеличения идеальности: Объединение функций разведки, целеуказания и атаки.
• Закон опережающего развития рабочего органа: Современные системы сенсоров и обработки данных требуют обновления других систем самолета.

Рис. 3. Пример поколений истребителей

2.2.6. Перспективы шестого поколения истребителей

От истребителей нового поколения мы ожидаем беспилотного управления, способности развивать гиперзвуковую скорость, а также новые виды вооружения и использование искусственного интеллекта с машинным обучением.

Предполагаемое проявление ЗРТС:

• Закон динамизации: Адаптивные конструкции и интеллектуальные системы управления.
• Закон увеличения идеальности: Максимизация боевых возможностей при снижении рисков для пилота.
• Закон перехода «моно — би — поли»: Интеграция истребителей в “стаи” беспилотных аппаратов для совместного выполнения задач.

Анализ проявления ЗРТС в эволюции истребителей:

1. Непрерывное совершенствование: Каждый новый виток развития истребителей сопровождается повышением их эффективности и функциональности.
2. Адаптация к изменчивым условиям: Стремительное развитие технологий и изменение тактики ведения боя требуют от нас постоянной готовности к изменениям и гибкой реакции.
3. Интеграция новейших разработок: Внедрение искусственного интеллекта и инновационных материалов позволяет истребителям соответствовать высоким требованиям воздушного пространства.

Исследование исторического развития авиационных технологий и детальное рассмотрение эволюции пяти поколений истребителей демонстрируют систематическое проявление законов развития технических систем. Эти закономерности не только объясняют прошлые изменения, но и позволяют прогнозировать будущие направления развития авиации. Понимание ЗРТС является ключевым для инженеров, стремящихся создавать инновационные и эффективные авиационные конструкции.

3. Перспективы развития авиации и авиационных двигателей на основе ЗРТС

3.1. Прогнозирование развития авиационных конструкций

На основе ЗРТС можно предположить следующие тенденции:

• Увеличение идеальности систем: стремление к созданию самолетов с нулевыми выбросами, повышенной безопасностью и комфортом.
• Динамизация конструкций: развитие интеллектуальных материалов и адаптивных структур, способных реагировать на внешние условия.
• Интеграция функций: объединение различных систем в единую сеть для повышения эффективности и снижения веса.

Развитие авиационных конструкций продолжает следовать законам развития технических систем, что позволяет прогнозировать будущие направления эволюции отрасли. [9]

3.2. Стремление к идеальности в будущих авиационных конструкциях

• Энергоэффективность, экологичность: Будущее авиации связано с созданием самолетов, которые потребляют меньше топлива и производят минимальные выбросы. Электрические и гибридные самолеты, такие как проекты Airbus ZERO, нацелены на достижение нулевых выбросов к 2035 году. Использование водородного топлива и альтернативных источников энергии станет ключевым направлением развития. [5]
• Улучшение комфорта и безопасности: Внедрение новых технологий, таких как искусственный интеллект и расширенная реальность, повысит уровень безопасности полетов и удобство для пассажиров. Системы мониторинга состояния самолета в режиме реального времени позволят предвидеть и предотвращать возможные неисправности.

3.3. Динамизация и адаптивность авиационных конструкций

• Адаптивные аэродинамические поверхности: Разработка крыльев с изменяемой геометрией, таких как проекты NASA по морфирующим крыльям, позволит самолетам автоматически подстраиваться под различные режимы полета, повышая эффективность и маневренность.
• Интеллектуальные материалы: Использование материалов с памятью формы и самоисцеляющийся композитов позволит конструкциям самолета реагировать на внешние воздействия и восстанавливаться после повреждений, увеличивая надежность и срок службы.

3.4. Переход на микро- и наноуровень в технологиях

• Нанотехнологии в материаловедении: Внедрение нанокомпозитов, позволит создавать более легкие и прочные конструкции, что снижает массу самолетов и повысит их топливную эффективность. [4]
• Микроэлектромеханические системы: Использование миниатюрных датчиков и систем управления улучшит мониторинг состояния самолета и повысит точность управления, способствуя повышению безопасности полетов.

3.5. Закон перехода «моно — би — поли» в авиации будущего

• Многофункциональные воздушные суда: Создание универсальных платформ, которые могут выполнять различные задачи — от пассажирских и грузовых перевозок до специальных миссий. Модульный дизайн позволит быстро адаптировать самолет под конкретные потребности.
• Интегрированные системы управления: Объединение навигационных, коммуникационных и бортовых систем в единую информационную сеть повысит эффективность управления и координации полетов. Сетецентрическая авиация станет стандартом будущего.

3.6. Развитие авиационных двигателей и опережающее развитие рабочих органов

• Прорывные двигательные технологии: Разработка двигателей на альтернативных видах топлива, таких как водородные и электрические установки, изменит подход к проектированию самолетов.
• Гиперзвуковые двигатели: Исследования в области гиперзвуковых полетов ведут к созданию двигателей, способных работать на скоростях свыше 5 Махов. Это откроет новые возможности для сверхбыстрых пассажирских и грузовых перевозок. (Приложение А, рис. 5.) [3]

3.7. Ключевые прогнозы

Экологическая устойчивость: Стремление к уменьшению экологического воздействия авиации приведет к широкому внедрению экологически чистых технологий и материалов. Международные организации уже устанавливают строгие стандарты по выбросам и шуму.

Автономные полеты: Развитие искусственного интеллекта и автоматизированных систем управления позволит создать полностью автономные воздушные суда, что повысит безопасность и снизит нагрузку на пилотов.

Городская воздушная мобильность: Появление воздушных такси и персональных летательных аппаратов изменит облик городского транспорта. Компании, такие как Uber Elevate и Volocopter, уже разрабатывают такие решения.

Рис. 4. Пример ЛО вертикального взлета 

Будущие авиационные конструкции будут характеризоваться повышенной идеальностью, гибкостью и интеграцией передовых технологий. Стремление к экологической устойчивости, безопасности и эффективности станет движущей силой развития отрасли. Применение законов ЗРТС в практике проектирования обеспечит создание авиационных систем, соответствующих высоким стандартам и требованиям будущего. [9]

Заключение

Авиационная отрасль — одна из самых быстроразвивающихся сфер техники, где инновации играют ключевую роль в достижении баланса между эффективностью, безопасностью и экологичностью полётов. Глубокое понимание законов развития технических систем (ЗРТС) позволяет не только анализировать прошлые достижения, но и прогнозировать будущие тенденции в авиастроении.

В ходе исследования:

• Детально изучена сущность законов развития технических систем, их происхождение.
• Проанализировано, как ЗРТС проявляются в авиационных конструкциях с учетом ЗРТС. Исторический анализ подтвердил, что развитие авиации тесно связано с принципами ЗРТС, что позволяет систематизировать знания о технологических изменениях.
• Представлены конкретные примеры реализации принципов ЗРТС на примере эволюции пяти поколений истребителей в контексте авиационных конструкций.
• Спрогнозировано будущее развитие авиации и авиационных двигателей, основываясь на ЗРТС, что позволило получить представление о том, как будет развиваться данная отрасль в будущем.

Законы развития технических систем не только объясняют прошлые и текущие изменения в авиации, но и служат надежным ориентиром для ее будущего развития. Использование этих законов в процессе конструирования и разработки авиационной техники позволяет создавать более совершенные, экологичные, эффективные и устойчивые конструкции, которые соответствуют современным требованиям и по характеристикам, и по безопасности.

Список литературы

1. Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука. — М.: Советское радио, 1979.
2. Васильев А.Н. Адаптивные авиационные конструкции. — М.: Машиностроение, 2018.
3. Иванов П.П. Перспективы развития авиационных двигателей. — Журнал "Авиационные технологии", 2021.
4. Смирнов К.В. Новые материалы в авиастроении. — М.: Техника, 2020.
5. Airbus. Future of Flight. Официальный сайт.
6. Альтшуллер, Г.С., Злотин, Б.Л., Зусман, А.В., Филатов В.И. Поиск новых идей: от озарения к технологии. - Кишинев: Картя Молдовеняскэ, 1989г.
7. Саламатов, Ю. П. Система законов развития техники (Основы теории развития Технических систем). Красноярск, 1996г. 
8. Альтшуллер, Г. Найти идею: Введение в ТРИЗ – теорию решения изобретательских задач. – 9-е изд. – М.: Альпина Паблишер, 2016.
9. Альтшуллер,Г. О прогнозировании развития технических систем. – Баку, 1975.

Приложения А

Рис. 5. Пример нового сверхзвукового самолета

Рис. 6. пример ГПВРД