КАК РАБОТАЕТ АЛГОРИТМ

Изучение ДРИЗ-71 мы еще продолжим в следующих главах, а пока проследим действие алгоритма На конкрет­ной задаче.

Задача 5

Ледокол продвигается во льдах по принципу клина. Поэтому скорость продвижения и толщина доступных преодолению льдов зависят в основном от мощности энергетических установок ледокола. Путь развития ледо­колов — это увеличение мощности их двигателей. У сов­ременного лайнера на 1 т водоизмещения приходится 0,8 л. с.; у ледоколов это отношение в 6 раз больше. До 70% длины корпуса ледокола занято двигательными ус­тановками, топливными емкостями (танками) и различ­ными обслуживающими системами. Ледокол буквально заполнен «двигательной частью», охлаждение двигате­лей—сложная проблема.

«Периодическое нарушение работы охлаждающей си­стемы в тяжелых ледовых условиях наблюдается на всех ледоколах, и эффективное решение этой проблемы пока не найдено. Например, из опыта американских ледоколов известно, что в ряде случаев не прочность льда, а прекра­щение подачи охлаждающей забортной воды ограничи­вает продвижение судна» (Юдовин Б. С. Энергетические установки ледоколов. М., «Судостроение», 1967,стр.182).

«Двигательная часть» современных ледоколов на­столько гипертрофирована, что на судне не остается ме­ста для размещения сколько-нибудь значительного коли­чества грузов. Поэтому за ледоколом идет караван из трех-четырех транспортных судов. «Начало и продолжи­тельность навигации в Арктике и в замерзающих портах определяет ледовая обстановка. Ведь принцип действия ледокола, стоит ли на нем паровая машина, как сто лет назад, или новейший атомный реактор, почти не изме­нился. С разбега вползает он на преградившее путь ле­дяное поле и своим весом ломает его. Снова разбег, и снова несколько метров вперед. Надсадно ревут двига­тели, скрежещет лед об обшивку. На почтительном рас­стоянии сзади стоит караван обычных судов, ждет, когда ледокол проложит путь. Но льды становятся толще и толще. Полтора, два, два с половиной метра! Ледокол застревает. Механики пускают машины «враздрай» — в разные стороны. Судно начинает «мотать носом», пыта­ясь освободиться от ледяного плена. Насосы перекачи­вают сотни тонн воды из носовых цистерн в кормовые, из левых цистерн — в правые. Ледокол качается с носа на корму, переваливается с боку на бок, разжимая, как клин, льдины... Дорога за ледоколом слишком тяжела для обычных судов. С трудом увертываются они от плавающих ледяных глыб, грозящих распороть им бока. Прост­ранство перед причалами, а иногда и вся акватория пор­та превращаются в сплошную массу битого льда. Каж­дый день ледоколы добавляют новые порции. В резуль­тате лед смерзается, и вскоре толщина его становится в 2—3 раза больше первоначальной. Теперь уж и сам ледо­кол не в силах одолеть эту преграду. Такие случаи неод­нократно наблюдали в Архангельском, в Ленинградском портах. Короче говоря, мечта капитанов — иметь ледо­кол, способный преодолевать льды любой толщины и, главное, оставляющий за собой не ледяное крошево, а чи­стый канал» (Муслин Е. Пушки и лед. «Знание—сила», 1968, №5).

Известны различные способы облегчения продвиже­ния сквозь льды. Издавна, например, применяется разру­шение льда с помощью взрывчатых веществ. Недостатки этого способа — большой расход ВВ, низкая производи­тельность, крайняя неэкономичность.

На небольших речных ледоколах устанавливают виб­рационные установки. «Многотонные чугунные диски за­крепляют на валах специальных машин, которые намерт­во привинчивают к носовой палубе. Едва только эта ма­шина заработает, ледокол начинает трясти и раскачи­вать, его нос ходит ходуном, так что не только находить­ся там — со стороны глядеть страшно! Кажется, что вот-вот виброустройство вырвет «с мясом». Судно бьется о лед, словно в лихорадке,—лед в конце концов не выдерживает ударов, поддается» (Каневский 3. Ледовая пахота, «Знание—сила», 1969, №8).

Применение ВВ, вибрация—все это не дает существенного эффекта.

Нужно придумать способ, обеспечивающий быстрое продвижение ледоколов во льдах толщиною до 3 м. Способ должен быть экономичен и осуществим при современ­ном уровне техники.

Сейчас мы не будем уточнять задачу—это входит в процесс решения по АРИЗ, введем лишь некоторые обязательные ограничения.

1. По условиям задачи транспортировку грузов по морю нельзя заменять; переброска их авиацией или же­лезнодорожным транспортом отвергается.

2. Нельзя заменять корабль подводной лодкой. Подводные лодки имеют очень большую осадку в надводном положении. В Англии, например, спроектирован подвод­ный танкер с осадкой в 18 м, его придется загружать и разгружать в открытом море.

Решать задачу надо применительно к кораблю водо­измещением в 5—20 тыс. т. Корабль должен иметь в сво­бодной воде нормальную скорость (т. е. 18—20 узлов).

Решение задачи 5

Часть 1

1—1. а) Надо увеличить скорость движения каравана судов и ледокола во льдах.

б) Нельзя увеличивать мощность двигателей ледоко­ла — эта возможность исчерпана.

в) Надо снизить стоимость транспортировки грузов в ледовых условиях.

г) Затраты должны быть ниже, чем при использова­нии лучших современных ледоколов.

д) Цель—снизить стоимость одного тонно-километ­ра транспортировки груза.

1—2. Обходный путь—отказаться от ледокола. Ледо­кол — машина для изготовления канала во льдах. Если транспортные суда научатся ходить во льдах без канала, отпадет необходимость в ледоколе.

1—3. Итак, с ледоколом или самостоятельно?

а, в) В водном транспорте отчетливо проявляется тенденция к «само» (например, от буксируемых барж - к самоходным баржам),

б, г) Тенденция к «само» наблюдается и в сельхозмашиностроении (различные самоходные установки вместо прицепов), и в авиации (поэтому не были осуществлены многочисленные проекты прицепных пассажирских планеропоездов).

д) Обходная задача представляется значительно бо­лее трудной, в некотором смысле даже нереальной, ди­кой: мы хотим, чтобы транспортное судно шло во льдах быстрее ледокола... Но анализ свидетельствует в пользу обходной задачи. Выбираем ее.

1—4. Примем требуемую скорость во льдах равной 6 узлам (втрое больше, чем у существующих ледоколов), толщину льда — 3 м.

1—5. Поправка на время: скорость—8 узлов, толщи­на льдов—до 3,5 м (практически это предельная вели­чина).

1—6. То, что нам предстоит придумать, должно на­дежно работать в полярных условиях. Отсюда требова­ние: как можно меньше подвижных механизмов и высту­пающих деталей (они смерзаются, ломаются льдами и т. п.).

Часть 2

2—1 а) Анализ патентной информации сразу выяв­ляет чрезвычайно интересный факт: нет изобретений, от­носящихся к выбранному нами обходному пути. Свыше ста лет развитие ледоколов идет в рамках исходной схе­мы. Даже наиболее оригинальные изобретения послед­них лет не выходят за пределы этой схемы. Изобретатели из Ленинградского НИИ Арктики и Антарктики предло­жили разрушать лед системой фрез или импульсными во­дометами. В американском патенте № 3130701 предла­гается заводить носовую часть ледокола под лед и взла­мывать лед снизу: опускание носовой части производится затоплением особых цистерн, а подъем—опорожнением этих цистерн и одновременной подачей воздуха в надув­ную емкость, расположенную под днищем ледокола. По патенту ФРГ № 1175103 предлагается в носовой части корабля устанавливать десятки бивней—«направленных вперед, изогнутых и спускающихся под лед стальных клиновидных плоскостей».

Совсем свежее предложение предусматривает, что «исполнительный орган выполнен в виде расположенных вдоль корпуса, регулируемых по высоте резцов, а в задней части корпуса шарнирно установлена стрела, на конце которой закреплена удаляющая разрушенный лед плита». Это уже не корабль, а специализированный агрегат по изготовлению канала во льдах...

Много авторских свидетельств и патентов выдано на различные устройства для удаления битого льда из-под днища ледокола и очистки канала. Предложено даже спе­циальное ледоочистительное судно, оборудованное установками, направляющими лед под ледяное поле. Система «ледокол—караван» очень далека от идеальной ма­шины: ледокол «возит самого себя», а тут добавится еще одно судно—только для обслуживания канала. Это явно отдаляет исходную схему от идеальной машины.

Патентный анализ, таким образом, подтверждает, что прямой путь ведет в тупик излишней специализации. Мы правильно сделали, отдав предпочтение обходному пути.

б) Мы решаем задачу о продвижении сквозь плотную среду; ведущая отрасль техники в данном случае—горная техника (проходка шахт, штреков, выемка угля, руды и т. п.). Лед—горная порода; посмотрим, как движутся машины в более плотных горных породах.

Здесь уже давно применяют водометы, гидромониторы. Идут эксперименты с различными электрофизическими способами разрушения угля, руды, камня. Исполь­зуют нагревание токами высокой частоты, контактный электропробой, электрогидравлический эффект и т. п. К сожалению, применить какой-либо из этих методов в нашей задаче невозможно: слишком велик объем льда, который надо разрушать в единицу времени, чтобы обеспечить требуемую скорость движения судна.

в) Обратная задача—не разрушать, а укреплять лед. Решение—армирование льда. Такое решение явно не годится, а чтобы использовать его «с обратным зна­ком», нужно добавлять в лед что-то, уменьшающее его прочность. Но и этот путь не годится: потребуется слиш­ком большой расход вещества-разрыхлителя.

2—2. Применим оператор РВС. Будем считать объектом корабль, а основным размером—его ширину (от длины мало что зависит).

а) Ширина корабля стремится к нулю. Допустим, она равна 1 мм. Корабль-лезвие?

б) Начнем теперь увеличивать ширину: 10 м, 100 м, 1000 м, 10000 м... Все труднее и труднее двигать сквозь лед такую громаду. Положить корабль на бок?

в) Скорость движения корабля близка к нулю. В этом случае можно просто потихоньку растапливать лед. Рас­ход топлива тоже будет стремиться к нулю.

г) Скорость повысилась до 50 узлов, 100 узлов... Ко­рабль должен мчаться, как судно на подводных крыльях. Любой способ разрушения льда не годится—потребует­ся слишком большая мощность. Нужно придумать неч­то, что позволит идти сквозь лед, не расходуя энергии. Как?

д) Допустимые расходы стремятся к нулю. Снова тот же вывод: не разрушать лед (за это всегда надо пла­тить).

е) Если допустимы неограниченные расходы, задача легко решается: применить лазеры, пусть они пробивают дорогу сквозь лед.

2—3. Изложим задачу в двух фразах, убрав такие термины, как «ледокол», «ледорез» или «ледолом» (они заранее привязывают нас к какой-то технологии разру­шения льда).

Итак, задача: «Дана система из корабля и льда. Ко­рабль не может идти с большой скоростью сквозь лед». (Можно, вообще говоря, убрать и термин «корабль», но  он достаточно широк и вряд ли сильно стеснит вообра­жение.)

2—4. Корабль—технический объект, его можно изме­нять как угодно. Лед — природный объект, изменять его крайне трудно. Следовательно, надо корабль отнести к «а», лед — к «б».

2—5. Объектом для дальнейшего анализа будет ко­рабль.

Вывод неожиданный: традиционные попытки решения задачи связаны с изменением льда: его ломают, режут, взрывают... Корабль кажется неизменным, мы привыкли к его определенной форме, а лед кажется легко изменяе­мым. На самом деле все наоборот. Чтобы расплавить один кубометр льда—все равно, чем: архисовременным; лазером или простым огнем,— нужно затратить • 80000 ккал тепла (без учета потерь). Большое количе­ство энергии нужно и для того, чтобы тем или иным спо­собом искрошить кубометр льда. Куда проще разрушать

Рис. 23. К задаче 5, шаг 3—2: «Было» — корабль дошел до льда и остановился; «Стало»—тот же корабль каким-то обра­зом движется сквозь лед.

не лед, а корабль! Ведь корабль можно сделать легко­разрушаемым —это зависит от нас...

Мы пришли к весьма дикому выводу. Кто-то, может быть, уже подходил к этой мысли — и останавливался перед психологическим барьером.

Часть 3

3—1. Сформулируем идеальный конечный результат (ИКР): корабль сам идет сквозь лед с большой скоро­стью и с нормальным (как на чистой воде) расходом энергии.

3—2. На рис. 23: «Было» — корабль дошел до льда и остановился; «Стало»—тот же корабль каким-то обра­зом движется сквозь лед.

3—3. Не может выполнить требуемого действия уча­сток АБ носовой части корабля, упирающийся в лед. Мо­жно ответить и по-другому: не может выполнить требуе­мого действия объем корпуса между АБ и ВГ.

3—4. а) Мы хотим, чтобы эта часть не упиралась в лед.

б) Она жесткая, твердая, сплошная—поэтому она, и упирается. .

в) Эта часть нужна для сохранения целостности кор­пуса и не нужна, чтобы не упираться в лед.

3—5. Поскольку эта часть нужна, придется сохранить ее. А поскольку она нам мешает, придется уменьшить ее до минимума.

3—6. Размеры этой части определяются толщиной льда и шириной корабля. Уменьшить толщину льда мы не можем. Остается уменьшать ширину корабля. Нам не надо, чтобы корабль был вообще плоским (рис. 24, а). Мы рассматриваем изменения той части корпуса, кото-

 

Рис. 24. Чем уже полоса разрушаемого льда, тем меньше расход энергии.

рая совпадает со слоем льда. Пусть эта часть будет пло­ской (24,6).

3—7 и 3—8. Получается неустойчивая форма. Чтобы корабль был устойчивым и плоским, нужны две плоско­сти, соединяющие верхнюю и нижнюю части корпуса (рис.24, в).

Часть 4

4—1. Общая ширина стенок-лезвий в 20—25 раз меньше обычной ширины ледокола. Следовательно, мо­жно рассчитывать на существенное уменьшение расхода энергии при движении во льдах. Конструкция корабля в целом упрощается (вследствие резкого снижения мощно­сти двигателей). Усложняется решение второстепенных вопросов, например, передвижения людей между верхней и нижней частями при плавании во льдах.

4—2. Такого рода трудности могут быть сняты, если нижняя часть будет только грузовой. Например, танкер­ной.

4—3. Теперь в идее решения нет недостатков, при условии, что наш корабль будет хорошо двигаться и в чистой воде. Интересно отметить, что в обычном корабле­строении за последние годы тоже наметилась тенденция поднять верхнюю часть корабля над волнами, а нижнюю часть (с двигателями) опустить вниз.

4—4. Современные ледоколы полностью исчерпали возможности своего развития: нельзя поставить на ледо­кол более мощные двигатели, чем те, какие уже стоят. Новая схема, по которой нужно разрушать как можно меньше льда, имеет только преимущества. Хотя нельзя не учитывать и некоторые моральные стороны перехода к новой схеме: психологическую инерцию, привержен­ность специалистов к привычному принципу «ломай побольше» (корпусом ледокола, фрезами, водометами и т. п.).

Часть 5

Хотя идея решения и найдена, обратимся ради конт­роля к таблице устранения технических противоречий.

5—1. Нам надо увеличить скорость (строка 9). Или производительность (строка 39), если рассматривать ко­рабль как машину для транспортировки груза.

5—2. Известный путь увеличения скорости (произво­дительности) движения во льдах — увеличение мощности двигателей.

5—3. Выбираем колонку 21.

5—4. Противоречие типа 9—21, приемы: 19, 35, 38, 2. Противоречие типа 39—21, приемы: 35, 20, 10.

5—5. Прием 35 (а)—изменение агрегатного состоя­ния объекта — соответствует найденному решению.

Мы могли бы и сразу—без анализа—обратиться к таблице. Но в этом случае ответ был бы неожиданным:

Сделать корабль жидким или газообразным». После шага 3—3, даже если у нас и нет идеи решения, мы знаем часть объекта, к которой надо приложить прием, подсказанный таблицей. Нет необходимости делать корабль жидким или газообразным, достаточно изменить агрегат­ное состояние той его части, которая находится на уровне льда.

Часть 6

6—1. Раньше корабль входил в систему «ледокол— транспортные суда, следующие за ним». Коль скоро наше транспортное судно само движется во льдах, отпадает надобность в ледоколе. Можно рассуждать по-другому: ледокол, освобожденный от излишних двигательных ус­тановок, сам может возить груз.

6—2. Поскольку разрушение льда ведется теперь уз­кими лезвиями, можно использовать такие приемы разру­шения льда, которые раньше были неэкономичными, на­пример, различные электрофизические способы.

6—3. Смысл найденной идеи: не идти напролом по всему фронту, а продвигаться узкими лезвиями. Вероят­но, эта идея может быть применена в технике земляных работ, где почти всегда идут напролом...