– если есть общие закономерности развития техники, значит, есть и общие подходы к решению изобретательских задач в различных областях науки и техники; значит эти закономерности можно выявить и использовать;

– на основании общих философских подходов можно разработать конкретные закономерности, позволяющие прогнозировать развитие техники в разных областях.

Важный вопрос: что такое правильно поставить задачу?

Развитие техники идет через появление, обострение и разрешение противоречий. Поэтому при решении задач полезно выявлять противоречие, препятствующее развитию технической системы или решению изобретательской задачи.

Говорят, что правильно поставить задачу – наполовину решить ее. В технике правильно поставить задачу значит вычленить из общей изобретательской ситуации ключевое техническое противоречие, которое препятствует развитию системы или решению задачи.

Дело в том, что задачи, которые ставятся перед изобретателями, не являются, строго говоря, техническими задачами. Как правило, мы имеем дело с изобретательской ситуацией.

Изобретательская ситуация – это то, как мы видим проблему внешне. И хотя часто, кажется, что проблема поставлена точно и определенно, но реально это не так. В изобретательской ситуации часто бывает смешано несколько задач, а иногда вообще ставится не та задача, которую надо решать!

Почти всегда в описании проблемной ситуации присутствует избыточная информация (зачастую просто неверная или субъективная информация!), которая не имеет отношение к проблеме, но сильно затрудняет понимание ее сути и решение. Иногда же наоборот, границы задачи неоправданно заужены, что мешает найти решение. И часто правильно понять проблему – почти эквивалентно решению задачи. Именно поэтому крайне важно бывает понять, что мешает нам решить ту или иную задачу, то есть выявить техническое противоречие.

Пример из практики автора

На Норильском горно-металлургическом комбинате концентрат обрабатывали в специальных реакторах. Это цистерны длиной в 12 метров и диаметром около 4 метров. Процесс идет при давлении 12 атмосфер и температуре 130—150 С, продувкой воздухом обогащенным кислородом. По технологии, пульпа концентрата занимает около ¾ объема реактора и активно перемешивается четырьмя винтовыми шнеками диаметром 300 мм расположенными вертикально. Остальная часть реактора заполнена парогазовой фазой.

В процессе обработки осуществляется контроль уровня пульпы в реакторе. Для этого, в цистерну, сверху вварена U-образная трубка, нижний конец которой доходит до середины цистерны. Через трубку с постоянной скоростью пропускается вода. Чем выше пульпа, тем больший зона контакт ее с водой, а значит тем больший нагрев. По степени нагрева воды судят об уровне пульпы.

Заказчик поставил задачу: повысить точность измерения уровня пульпы? Измерять ее снаружи невозможно – стенка цистерны – 12 мм стали, 10 мм свинца и еще 80 мм огнеупорного кирпича. Значит контроль возможен только по нагреву воды. Но температура нагрева воды в трубке зависит не только от длины контакта, но и от температуры внутри реактора и многих других причин. Да и измерение температуры тяжело оценивать с высокой точностью. Как быть?

Рис.2. Реактор для обработки пульпы

При решении задачи в группе обучения присутствовали механик цеха и технолог, то есть оба главных лица, ответственных за технологический процесс и работоспособность оборудования.

С самого начала был задан вопрос – «А для чего нужно знать уровень пульпы в реакторе?». Быстро выяснилось, что нет необходимости измерять уровень пульпы в реакторе с большой точностью. Технолога интересовало только ограничение минимального уровня, чтобы процесс не пошел в разнос, а механика – максимальный уровень пульпы, чтобы в механизмы вращения мешалки не попадала абразивная пульпа. Все остальное их не интересовало.

После правильной постановки задачи выяснилось, что реальная задача не на измерение температуры (высоты пульпы в реакторе), а на определении двух критических недопустимых значений (верхнего и нижнего).

Установить два датчика было совсем просто, а главное – существенно повысилась точность роботы системы и ее надежность. Достаточно было в уже существующую трубу на нужном уровне установить тепловые датчики, если происходит замена пульпы на парогазовую смесь в районе датчика, то резко меняется режим нагрева трубки в этом месте, и это сразу улавливается датчиком. То есть задача оказалась отличной от той, которую первоначально ставили Заказчики, и реальная задача была намного проще.

Пример-шутка

Блондинка врывается в кабинет травматолога

– Доктор, у меня беда! Так хромаю, что боюсь, что сломала ногу! Боюсь, гипс придется накладывать!

– Спокойствие, девушка, только спокойствие. Сейчас я со второй туфли каблук отломаю, и можно будет обойтись без гипса.

А теперь в качестве технического примера рассмотрим следующую задачу:

Мясные туши необходимо маркировать, чтобы гарантировать прохождение ветеринарного контроля. И никакие бирки тут недопустимы, так как они могут потеряться при транспортировке. А вот чернильное клеймо – гарантия, что маркировка будет сохранена. Но тут и возникает проблема. После продажи, при приготовлении пищи, это клеймо приходится срезать и выбрасывать (ведь чернила-то не очень полезны для здоровья). Это значительные потери, приходится срезать печать вместе с куском мяса. Необходимо предложить иной способ маркировки мяса!

Рис.3. Туши с клеймом

Казалось бы, проблема очевидна. Нужны какие-то приборы или новые бирки, которые не будут теряться. Но начнем решать эту задачу.

Сформулируем противоречие: клеймо должно быть, чтобы маркировать тушу, но клейма быть не должно, чтобы не портить мясо. А теперь попробуем вникнуть в сущность задачи. В определенной зоне туши (как говорят в ТРИЗ, в оперативной зоне) в определенное время (в ТРИЗ говорят, в оперативное время) должны быть инородные частицы, чтобы маркировать тушу, и этих частиц не должно быть, чтобы не портить, не отравлять мясо.

При такой формулировке сразу становится ясно, что, в сущности, нет противоречия между наличием инородных частиц и съедобностью, если использовать пищевые красители, например на основе свеклы. Еще лучше использовать невредные пищевые красители, разрушающиеся при термообработке (мясо-то вряд ли кто сырое есть будет!). То есть, как только мы правильно сформулировали противоречие, ответ стал очевиден.

1.1. Противоречие

Под противоречием понимается необходимость выполнения технической системой двух взаимоисключающих требований к системе или ее частям.

Например, изделие должно быть твердым и мягким, легким и тяжелым, горячим и холодным, большим и маленьким…

Броня танка должна быть толстой, чтобы надежно защищать от вражеских снарядов, и она же должна быть тонкой, чтобы танк не был тяжелым, и, как следствие этого, маломаневренным в бою.

Иногда конструкторы выбирают в качестве приоритета один из параметров и пытаются улучшить только его. Именно так был создан немецкий танк «Мышонок».

Рис. 4. Танк «Маус» (музей в Кубинке)

Его вес был около 188 тонн, мощная (до 240 мм) броня защищала его от средних снарядов, а 128-миллиметровое орудие было способно сокрушить любой танк того времени. Но скорость всего 18 километров в час делала его неповоротливым и уязвимым. Он разрушал все мосты на своем пути и стал хорошей мишенью для крупных орудий и самолетов. Цена была настолько высокой, что о массовом производстве не могло быть и речи. За всю историю было сделано только два таких танка!

Часто противоречие пытаются разрешить компромиссом. Удачным компромиссным решением в годы второй мировой войны был советский танк Т-34. Он защищал экипаж от стрелкового оружия, крупнокалиберных пулеметов и даже легких орудий, но при этом был маневренным и мог двигаться со скоростью грузовика по бездорожью. А технология производства была настолько простой, что на нескольких советских заводах их было произведено более 85 000 танков.

Рис. 5. Танк Т-34.

Как показывает опыт, компромиссное решение лишь откладывает необходимость разрешения противоречия, но не снимает проблемы. Со временем противоречие нарастает, обостряется, и в конечном итоге возникает необходимость его радикального разрешения за счет нового технического решения. Появление ручного противотанкового кумулятивного оружия обострило ситуацию настолько, что компромиссное решение перестало удовлетворять танкистов. Кумулятивные снаряды и бомбы прожигали любую броню. Появилась необходимость разрешения противоречия «толщина брони / маневренность танка», то есть создание «тонкой легкой брони», которая защищает танк от «сильного снаряда». Так появилась «активная броня».

Активная броня – разновидность защиты боевых бронированных машин. Она состоит из металлических контейнеров, содержащих элемент динамической защиты, который состоит из двух слоёв взрывчатого вещества и тонкой металлической пластины, расположенной между ними. Принцип действия активной брони состоит в том, что контейнеры со взрывчаткой, установленные поверх обычной брони танка, взрываются «навстречу» летящему в танк снаряду, в тот момент, когда снаряд попадает в них.

Рис.6. Танк Т-72 с активной броней.

1.2. Оперативная зона и оперативное время

Техническое противоречие всегда проявляется в определенное время и в определенном месте. Например, при выполнении рентгенографии мы понимаем, что рентгеновские лучи крайне вредны для здоровья. Но при проведении неразрушающего контроля (рентгена) их использование происходит только в ограниченное время, и в защищенной камере, где людей нет. Таким образом, разрешается противоречие – нужны вредные лучи для проведения анализа, и эти лучи должны быть безвредными для персонала.

Для того чтобы научиться разрешать противоречия попробуем разобраться, где и когда техническое противоречие возникает. Для этого введем понятия оперативной зоны (ОЗ) и оперативного времени (ОВ).

Пространство в системе, в котором возникают противоречивые требования, и граничная зона около него, называется оперативной зоной.

Часто современная техника излучает радиоволны высокой частоты, которые вредны для здоровья, но сами приборы нужны для использования. Почему же мы все-таки пользуемся ими? Да потому, что вредное излучение возникает только в ограниченной зоне в приборе, а пространство вокруг него будет вполне безопасным. Именно эта зона (зона действия лучей!) и будет в данном случае оперативной зоной.

Если мы говорим, что утюг плохо гладит, из-за того, что плохо нагревается, то при этом понимается, что плохо нагревается нижняя (рабочая) поверхность утюга. Она и является оперативной зоной. Все остальные части утюга (например, ручка) нас не волнуют.

Промежутки времени, во время которых к системе предъявляются требования, выполнение которых вызывает конфликтную ситуацию (то есть необходимость выполнения противоречивый требований) и называются оперативным временем.

Например, основные требования к толщине брони танка возникают во время боя, и совершенно никого не волнуют в то время, когда танк стоит на базе или находится на марше. Следовательно, оперативное время для танка – время боевых действий, атаки.

А теперь рассмотрим два примера по решению задач с использованием понятий «оперативная зона» и «оперативное время».

Пример 1

В 1980 году на Нижнетагильском металлургическом комбинате мы столкнулись с крайне сложной задачей. Необходимо было повысить качество проката для морских судов, снизить поперечную разнотолщинность листов (это было обязательным условием регистра Ллойда). На стане, построенном еще в 30-е годы, это сделать весьма сложно. Проблема состояла вот в чем. Лист прокатывают просто: слиток пропускают между двумя рабочими валками приблизительно так, как хозяйки отжимают мокрое белье, на старых стиральных машинах. Только валки не из резины, а из стали. Чтобы рабочие валки не сильно прогибались, устанавливают опорные валки. Это рабочая схема стана «кварто». Постепенно зазор между ними уменьшают, и, в конце концов, получается готовый лист, заданной толщины.

При такой технологии прокатчикам приходится решать две задачи:

во-первых, деформировать металл так, чтобы он получался с одинаковой толщиной в центре и на краях, то есть без поперечной разнотолщинности,

во-вторых, удерживать раскатываемый лист в валках строго по центру.

Вам может показаться, что это разные задачи. Но это не так. Дело в том, что усилия деформации настолько велики, что никакие посторонние дополнительные механизмы не способны удержать раскатываемый лист в валках, если из-за неравномерной деформации по ширине его начнет уводить в сторону. В результате произойдет авария.

Прокатчики нашли выход. Они сделали валки так, чтобы при нагрузке образовывался вогнутый профиль, и теперь раскатываемый лист сам центрует себя. Если он сдвинулся в какую-нибудь сторону, то горизонтальная составляющая усилия деформации загоняет его назад. И чем больше вогнутость, тем значительнее эффект самоцентрирования.

Вот тут и противоречие: чем больше вогнутость валков, тем больше поперечная разнотолщинность, то есть тем хуже качество проката, но зато более надежна устойчивость процесса. К тому времени, когда мы начинали работать, разнотолщинность между центром и краями достигала 1—1,2 мм при допуске всего 0,8 мм. Итак, налицо противоречие. Как быть?