ТРИЗ для «чайников» – 4. Микростандарты

Следствие 1. Если возможно накопление ресурса (энергии, вещества) для второй системы за счет первой, то можно увеличить стационарную составляющую первой системы до средней мощности в надсистеме. При недозагрузке первой системы избыток идет в накопление, а при перегрузке – будет расходоваться накопленный ресурс.

Пример 2.

Гибридные автомашины. Расход топлива ДВС при повышенных скоростях в 1,5 раза больше, чем при оптимальной скорости. Повышен расход и на низких скоростях. Решение объединить ДВС и электромотор позволяет заставить ДВС работать всегда в оптимальном режиме! При высоких скоростях или на старте работает и ДВС, и электродвигатель, чтобы обеспечить старт или скоростной режим. При низких скоростях ДВС работает на аккумуляторы машины, и закачивает избыточную энергию в аккумуляторы, а электродвигатель работает как генератор.

Рис. 26. Toyota Prius V Hybrid

.

Пример 3

Загорская гидроаккумулирующая электростанция. Станция связана с Костромской энергосистемой. Конструкция состоит из двух бассейнов – верхнего и нижнего. При повышенном потреблении турбины вырабатывают электроэнергию. При снижении потребности в электроэнергии в энергосистеме избыток энергии системы заставляет работать насосы, закачивающие воду в верхний бассейн. КПД такой станции составляет 73%, но оптимизация работы ГРЭС в энергосистеме с лихвой компенсирует эти потери.

Рис. 27. Гидроаккумулирующая станция в Шотландии

Пример 4.

Солнечные батареи становятся все более эффективными. Но у них есть недостаток – они работают днем, в то время как основное потребление электроэнергии требуется в темное время суток. Компания Tesla Motors Inc. разработала мощные аккумуляторы емкостью 7—10 киловатт-часов, которые способны запасать энергию, вырабатываемую днем солнечными батареями, и выдавать ее по мере необходимости. По мнению специалистов Tesla Motors Inc., новое устройство – солнечные батареи с аккумуляторами – полностью изменит структуру потребления электроэнергии. А его размеры – 130х86х18 см, позволяют устанавливать аккумулятор на стене дома, в то время как солнечные батарее устанавливаются на крыше дома.

Рис. 28. Аккумулятор «Тесла» для дома

Если же вырабатываемой солнечными батареями энергии не хватает, то можно использовать дизель-генератор, который также будет работать в оптимальном режиме, «подкачивая» батареи, когда они разряжаются ниже некоторого предела.

Пример 5

Вместо сплошного киля судну придает устойчивость легкий пустотелый киль, внутри которого размещены электрические батареи.

Когда яхта идет под парусом с большой скоростью, гребной винт работает как турбинное колесо и заряжает батареи. В штиль батареи приводят в действие мотор.

При необходимости двигаться с большой скоростью работают и паруса и двигатель.

(Патент США 3 238 911)

1.11. Одноразовая защита

Пока ученым не удается создать материал (ни металл, ни керамика), который способен выдержать температуру 10—15 тысяч градусов даже несколько секунд. Но как же тогда строить стартовую площадку космодрома, если температура ракетной струи именно такая? Для каждого старта строить новый стартовый комплекс – дорого.

Рис. 29. Старт ракеты на Байкануре

Конструктора нашли решение. Конструкции стартовой площадки обмазываются слоем смеси специального термостойкого полимера с асбестом, пеком или графитом, или перед стартом накрыть их колпаком из такой смеси. Во время старта ракеты несколько секунд плазменная струя с температурой 10—15 тысяч градусов будет бить по этим конструкциям. Обмазка вспенится, обуглится, обгорит, и даже местами облетит, но защищаемая ею конструкции уцелеет. Перед новым стартом нужно будет заново нанести новый слой обмазки и конструкции смогут служить достаточно долго. Такой состав называется аблационным.

МКС. Если на изделие оказывается краткосрочное ударное вредное действие, разрушающее его, а создание прочной защиты от многократного воздействия крайне дорого, или недопустимо по технологическим условиям, то решением может стать введение одноразового промежуточного защитного слоя на поверхность изделия, остатки которого после повреждения удаляются, и наносится новый защитный слой.

Пример 1

Таким же способом можно защищать корпус ракеты от перегрева. На носовую часть ракеты надевается заранее защитный колпак. Пока этот аблатор обгорит, ракета уже проскочит сквозь плотные слои атмосферы, уйдет в разряженную стратосферу, а то и выше, где трение не столь велико и разогрев не столь силен. После этого колпак сбрасывается[8 - Копылов В. В., Штурм теплового барьера. М., Наука, 1983, с 25].

Рис. 30. Обтекатели космического корабля

Пример 2

При отливке слитков есть опасность прилипания металла к изложнице. Чтобы избежать этого, на внутреннюю часть изложницы наносят кистью или распылителем слой специальной обмазки. После заливки расплавленного металла обмазка частично сгорает, частично растворяется на поверхности слитка. Но слиток легко извлекается из изложницы. После извлечения слитка, остатки обмазки удаляются, и наносится слой новой обмазки.

Рис. 31. Слиток в изложнице

Пример 3

Активная броня

Страшной угрозой для танков стали кумулятивные снаряды. Тонкая струя, образующаяся при взрыве, прошивает броню любой толщины. Защитой стала «активная броня» – пакеты с взрывчатым веществом, расположенные на танковой броне. При попадании кумулятивного снаряда они взрываются, препятствуя действию кумулятивной струи. После боя поврежденные пакеты заменяются на новые, и танк снова готов к бою.

Рис. 32. Израильский танк М60А1 с установленной динамической защитой «Блэйзер».

1.12. Увеличить зазор, чтобы улучшить герметизацию

В конце XVIII и начале XIX века была разработана технология изготовления чайников и кастрюль из листовой меди. Заготовки вырезались из листа, а затем изгибались и состыковывались. Швы зачеканивались. Чтобы обеспечить герметичность, необходимо было обеспечить высокую точность кроя заготовок. Это резко снижало производительность. Однако с развитием общества спрос на медную посуду быстро рос.

Чтобы повысить производительность была разработана новая технология изготовления чайников – пайка швов медных чайников и кастрюль.

Предложенная технология пайки медных швов позволила резко снизить точность кроя, поскольку независимо от толщины шва он легко герметизировался оловом, наполняющим швы. Швы при этом специально делали достаточно большими по размеру, чтобы олово не просто покрывало поверхность, но и затекало внутрь шва, образуя достаточно толстый слой.

Рис. 33. Прототип самовара, пайка листвой меди

МКС: Если в системе есть соединение двух элементов, а щель герметизируется, то при повышении точности усложняется не только процесс изготовления элементов, но и процесс герметизации, поскольку тонкую щель труднее заполнить соединительным материалом. В этом случае решение может состоять в изготовлении щели заведомо завышенной толщины (по сравнению с возможной по технологии), которая легко заполняется наполнителем-герметизатором. При этом снижается сложность технологии, как при изготовлении заготовок и изделий, так и операции соединения.

Пример 1

В США большая часть водопроводов в частных домах изготавливается из медных труб, которые соединяются муфтами, внутренний диаметр которых больше диаметра соединяемых труб на заданную величину. Труба легко вставляется в муфту, что облегчает сборку, а зазоры заполняются расплавленным оловом. Трубка и муфта перед пайкой нагреваются, а затем к месту соединения добавляется олово, которое втягивается в зазор капиллярными силами. Так обеспечивается надежное соединение.

При этом повышение точности (снижение зазора) только ухудшает соединение, поскольку олово будет хуже заполнять зазор.

Рис. 34. Пайка медного трубопровода

Пример 2

При установке пластиковых окон между окном и стеной остается щель. Если щели между окном и стеной слишком маленькие, то их трудно герметизировать пеной, что ухудшает утепление. Зазор должен иметь некоторую оптимальную толщину, что позволит надежно герметизировать щель. Это регламентируется технологической инструкцией[9 - У себя в «Группе Техмаш» мы получили рекламацию на то, что окна промерзают. Оказалось, что стараясь уменьшить зазор между рамой и корпусом вагон-дома мы перестарадись и сделали зазор настолько маленьким, что не смогли пропенить его на всю глубину. Толщина пеноизоляции оказалась 1—2 мм, вместо 80 мм по нормам. И хотя щель была тонкая, но через нее проходил холод.].

Пример 3

При установке стекла, его вырезают заведомо меньшего размера, чем выемка в раме под стекло, чтобы оно свободно устанавливалось на месте. После установки щели замазывают оконной замазкой, и фиксирует стекло в раме штапиками (Рис.35).

Рис.35. Схема установке стекол в раме

1.13. Самооптимизация

Колеса железнодорожного вагона по форме быстро приобретают оптимальную форму, независимо от первоначальной. Поэтому изготавливать колеса с высокой точностью нецелесообразно. Это позволяет экономить много денег.

Рис. 36. Самооптимизация железнодорожных колес