ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОТИВОРЕЧИЯ

Попытаемся решить задачу о дождевателе обычными приемами. Нужно втрое увеличить размах крыльев; что ж, сделать трехсотметровую ферму технически вполне осуществимо. Что мы при этом проиграем? Возрастет вес. Если размах крыльев увеличить втрое, ферма станет тя­желее в 27 раз.

У машин и механизмов (вообще у технических объек­тов) есть несколько важнейших показателей, характери­зующих степень их совершенства: вес, габариты, мощ­ность, надежность и др. Между этими показателями су­ществуют определенные взаимозависимости. Скажем, на одну единицу мощности требуется определенный вес кон­струкции. Чтобы увеличить один из показателей уже из­вестными в данной отрасли техники путями, приходится «платить» ухудшением другого.

Вот типичный пример из авиаконструкторской практи­ки: «Увеличение в 2 раза площади вертикального опе­рения одного из типов самолетов уменьшило амплитуду колебаний самолета всего лишь на 50%. Но это, в свою очередь, повысило восприимчивость самолета к порывам ветра, увеличило лобовое сопротивление, утяжелило кон­струкцию самолета, что выдвинуло дополнительные сложные задачи.

Конструктор, учитывая конкретные условия, выбирает наиболее благоприятное сочетание характеристик: что-то выигрывает, а что-то проигрывает. «Когда вы обдумывае­те решение и технические условия,— говорит известный авиаконструктор О. Антонов,— которые, может быть, и не будут никогда записаны на бумаге, выделите самое глав­ное. Только в крайнем случае, если что-нибудь не удает­ся выполнить, идите к допустимому. Допустимое — это некоторое невыполнение заданных технических условий, так сказать, компромиссное решение. Предположим, кон­струируя самолет, вы выполните требования по грузо­подъемности и скорости, но у вас немножко не выйдет с длиной разбега. Тогда вы начнете взвешивать эти три важных требования и, возможно, несколько поступитесь разбегом—пусть разбег будет не 500, а 550 метров, зато все остальные качества будут достигнуты. Это как раз то, что допустимо».

Академик А. И. Крылов в своих воспоминаниях рас­сказывает о таком эпизоде. В 1924 году ученый работал в составе советско-французской комиссии, осматривав­шей в гавани Бизерты русские военные корабли, уведен­ные туда Врангелем. Здесь бок о бок с русским эсминцем стоял эсминец французский — примерно того же воз­раста и размеров. Разница в боевой мощи кораблей была настолько велика, что адмирал Буи — председатель комиссии—не выдержал и воскликнул: «У вас пушки, а у нас пукалки! Каким образом вы достигли такой разницы в вооружении эсминцев?» Крылов ответил так: «Взгляни­те, адмирал, на палубу: кроме стрингера, в котором вся крепость, все остальное, представляющее как бы крышу, проржавело почти насквозь, трубы, их кожухи, рубки и т. п.— все изношено. Посмотрите на ваш эсминец, на нем все как новенькое, правда, наш миноносец шесть лет без ухода и без окраски, но не в этом главная суть. Ваш ми­ноносец построен из обыкновенной стали и на нем взято расчетное напряжение в 7 кг на 1 мм², как будто бы это был коммерческий корабль, который должен служить не менее 24 лет. Наш построен целиком из стали высокого сопротивления, напряжение допущено в 12 кг и больше — местами по 23 кг/мм². Миноносец строится на 10—12 лет, ибо за это время он успевает настолько устареть, что не представляет более истинной боевой силы. Весь выигрыш в весе корпуса и употреблен на усиление боевого воору­жения, и вы видите, что в артиллерийском бою наш мино­носец разнесет вдребезги, по меньшей мере, четыре, т. е. дивизию ваших, раньше, чем они приблизятся на даль­ность выстрела своих пукалок». «Как это просто!»—ска­зал адмирал»².

Искусство конструктора во многом зависит от умения определить, что надо выиграть и чем можно за это посту­питься. Изобретательское творчество состоит в том, что­бы найти такой путь, при котором уступки вообще не тре­буется (или она непропорционально мала по сравнению с получаемым результатом).

Предположим, для ускорения погрузки-разгрузки на необорудованных аэродромах необходимо создать порта­тивное подъемное устройство, монтируемое на тяжелых транспортных самолетах. Такую задачу вполне можно ре­шить уже имеющимися в современной технике средства­ми. Основываясь на общих принципах конструирования подъемных устройств и используя, скажем, опыт созда­ния легких автокранов, квалифицированный конструктор в состоянии спроектировать требуемое устройство. По­нятно, что это увеличит в той или иной мере «мертвый» вес самолета. Выигрывая в одном, конструктор одновременно проигрывает в чем-то другом. Зачастую с этим можно смириться, и задача конструктора сводится к тому, чтобы побольше выиграть и поменьше проиграть.

Необходимость в изобретении возникает в тех слу­чаях, когда задача содержит дополнительное требование: выиграть и... ничего не проиграть. Например, подъемное устройство должно быть достаточно мощным и в то же время не должно утяжелять самолет. Решить эту задачу известными приемами невозможно: даже лучшие перед­вижные краны имеют немалый вес. Здесь нужен новый подход, нужно изобретение.

Таким образом, обычная задача переходит в разряд изобретательских в тех слу­чаях, когда необходимым условием ее решения является устранение технического противоречия.

Нетрудно создать новую машину, игнорируя техниче­ские противоречия. Но тогда машина окажется неработо­способной и нежизненной.

* * *

Всегда ли изобретение состоит в устранении и техниче­ского противоречия?

Надо сказать, что существуют два понятия «изобре­тение»—правовое (патентное) и техническое. Правовое понятие различно в разных странах, к тому же? оно часто меняется.

Правовое понятие стремится возможно точнее отра­зить границы, в которых в данный момент экономически целесообразна юридическая защита новых, инженерных конструкций. Для технического же понятия важны не столько эти границы, сколько сердцевина изобретения, его исторически устойчивая сущность.

С точки зрения инженера, создание нового изобрете­ния всегда сводится к преодолению (полному или частич­ному) технического противоречия.

Возникновение и преодоление противоречия — одна из главных особенностей технического прогресса. Анали­зируя развитие мельниц, Маркс писал в «Капитале»: «Увеличение размеров рабочей машины и количества ее одновременно действующих орудий требует более круп­ного двигательного механизма... Уже в XVIII веке была сделана попытка приводить в движение два бегуна и два же постава посредством одного водяного колеса. Но уве­личение размеров передаточного механизма вступило в конфликт с недостаточной силой воды...»

Это яркий пример технического противоречия: попыт­ка улучшить какое-либо свойство машины вступает в кон­фликт с другим ее свойством.

Многочисленные примеры технических противоречий приводит Фридрих Энгельс в статье «История винтовки». В сущности, вся эта статья представляет собой анализ внутренних противоречий, определяющих историческое развитие винтовки. Энгельс показывает, например, что с момента появления винтовки и до изобретения винтовок заряжающихся с казенной части, главное противоречие состояло в том, что для усиления огневых свойств требо­валось укорачивание ствола (заряжение производилось со ствола и при коротком стволе облегчалось), а для уси­ления «штыковых» свойств винтовки нужно было, на­оборот, удлинять ствол. Эти противоречивые качества были соединены в винтовке, заряжающейся с казенной части.

Вот несколько задач из разных отраслей техники, со­держащих технические противоречия. Задачи эти не при­думаны автором, а взяты из газет, журналов, книг.

Горное дело

С давних пор для изоляции района подземного пожа­ра шахтеры возводят перемычки — специальные стенки из кирпича, бетона или брусчатки. Сооружение перемычек сильно осложняется, если в шахте выделяются газы. В таком случае перемычку нужно делать герметичной, тщательно заделывать каждую щелку, и все это под по­стоянной угрозой взрыва. Чтобы уберечься, горняки стали сооружать по две перемычки. Первую—времен­ную — кладут наспех. Она пропускает воздух и служит лишь баррикадой, под прикрытием которой можно, уже не торопясь, сооружать вторую, постоянную. Таким обра­зом, горняки выиграли в безопасности, но проиграли в трудоемкости.

Химическая технология

При повышении давления скорость синтеза увеличива­ется и, следовательно, растет производительность колон­ны синтеза. Но одновременно увеличивается расход энергии на сжатие данного количества газа: по конструк­тивным соображениям приходится ограничивать разме­ры аппаратов и, следовательно, их мощность. Увеличива­ются растворимость азотоводородной смеси в жидком ам­миаке и ее потери.

Электроника

Современная электроника столкнулась с серьезной дилеммой: с одной стороны, .непрерывно повышаются тре­бования к рабочим характеристикам и, соответственно, усложняются электронные системы; с другой стороны, все более ужесточаются ограничения габаритов, веса и потребляемой мощности... Такое же, а может быть, и большее значение имеют проблемы надежности, вызван­ные возросшей сложностью аппаратуры.

Радиотехника

У антенны радиотелескопа есть две основные харак­теристики—чувствительность и разрешающая способ­ность. Чем больше площадь антенны, тем выше чувстви­тельность телескопа и тем дальше он может заглянуть в глубины Вселенной. Разрешающая способность—это «острота зрения» телескопа. Она показывает, насколько хорошо аппарат различает два разных источника излучения, находящихся на небольшом угловом расстоянии друг от друга. Кроме того, большой «радиоглаз» должен охватывать своим взглядом возможно большую часть неба. Для этого антенна должна быть подвижной. Но перемещать громоздкую антенну, сохраняя ее форму неизменной с точностью до миллиметров, очень трудно.

Пока не разрешено это противоречие, конструирова­ние телескопов идет по двум направлениям: либо стро­ятся очень большие, но неподвижные антенны, либо под­вижные и относительно небольшие.

Моторостроение

Механизм клапанного газораспределения состоит в основном из деталей, движущихся возвратно-поступа­тельно. Увеличить число оборотов двигателя — значит увеличить инерционные нагрузки. Чтобы этого избежать, стараются уменьшить массу возвратно-движущихся де­талей, для чего клапанный механизм помещают непосред­ственно в блоке цилиндров. Но камера сгорания при этом становится сплющенной, щелевидной, с большой поверх­ностью теплоотдачи. В этом одно из противоречий: увели­чение числа оборотов при нижнем расположении клапа­нов приводит к увеличению мощности и экономичности, щелевидная же камера сводит весь выигрыш на нет.

Сельскохозяйственное машиностроение

Есть такое понятие — мощность на крюке». Это та часть мощности тракторного двигателя, которая может фактически выполнять полезную работу. Показатель этой мощности для данного трактора зависит в первую очередь от сцепных свойств его движителей (колес или гусениц) и от сцепного веса машины. Мощная, но легкая машина при больших нагрузках буксует, поэтому для вы­полнения полезной работы может быть использована лишь небольшая часть мощности тракторного двигателя. Тяжелые тракторы лучше сцепляются с почвой, но зна­чительная часть энергии их двигателя тратится на пере­мещение собственного веса по полю... Конструкторы об­легчают машину и повышают ее мощность. А в процессе эксплуатации начинается движение в обратную сторону, так как снижение веса означает ухудшение сцепных свойств, то есть уменьшение эффективной мощности на крюке. Вот и приходится на месте утяжелять машину— ставить на колеса чугунные диски, делать уширители на. гусеницах и колесах, сводя на нет достижения конструк­торов.

Автомобилестроение

Стоит увеличить мощность двигателя, не применив каких-то новых конструктивных решений, увеличатся его вес и расход топлива. Значит, и несущая система (рама, кузов) автомобиля должна быть более мощной, тяжелой, а места для пассажиров остается меньше.

Мягкие шины обеспечивают спокойствие хода, автомо­биль плывет по неровной дороге, как челн. Но чем мень­ше давление в шинах, тем больше сопротивление дороги, тем меньше скорость. Можно сделать автомобиль, кото­рый будет низким и устойчивым, но он не пройдет по пло­хой дороге. Конструктор находит золотую середину, взве­шивает, каким из качеств автомобиля можно пренебречь, а какое - выдвинуть на первый план'.

Судостроение

При проектировании корпуса яхты необходимо учи­тывать три основных требования: 1) минимальное сопро­тивление формы корпуса, 2) минимальное сопротивление трения, 3) максимальная остойчивость.

Эти требования взаимно противоречивы. Узкая, длин­ная яхта имеет малое сопротивление формы, но она мало-остойчивая, не может нести достаточно большой парусно­сти. Повышение остойчивости путем увеличения веса бал­ласта сопровождается одновременным увеличением осад­ки и, следовательно, увеличением сопротивления трения. Увеличение остойчивости путем увеличения ширины кор­пуса вызывает увеличение сопротивления формы кор­пуса. Задача конструктора состоит в отыскании «золотой середины», в примирении противоречивых условий конст­руирования.

Самолетостроение

У главного конструктора, рождается идея. Ну, скажем, нужен самолет для перевозки крупногабаритных и тяжелых грузов; необходимо обеспечить удобство и быстроту погрузки. Для этой цели требуется, чтобы фюзеляж, вместительный и обтекаемый, на стоянке был как можно ближе к земле, значит, необходимо низкое шасси, его легче убрать в фюзеляж.

Вес полезной нагрузки определяет вес конструкции, и все вместе—мощность и число двигателей. Если двигатели турбовинтовые, их устанавливают на крыле, и крыло должно быть поднято так, чтобы пропеллеры не задевали за бетон. Еще деталь ясна: крыло нужно положить сверху фюзеляжа.

Это только первый шаг проекта. Множество различ­ных требований постепенно уточняют «лицо» будущего самолета. Необходимость хороших взлетных и посадоч­ных свойств на грунтовых аэродромах ведет к примене­нию объемных пневматиков с низким давлением, прямого крыла с мощной аэродинамической механизацией.

В этом случае, правда, не может быть получена очень большая скорость, но в угоду другим важным качествам конструктору приходится искать разумный компромисс.

* * *

По положению изобретение должно обладать «суще­ственной новизной». Но что означает слово «сущест­венная»? В «Указаниях по методике экспертизы зая­вок на изобретения» сказано так: «Существенная новиз­на в решении технической задачи характеризуется тем, что это решение имеет новые, не известные ранее при­знаки, сообщающие объекту изобретения (устройству, способу, веществу) новые свойства, создающие положи­тельный эффект». С незначительными вариациями такое определение применяется уже десятки лет и приводит к бесчисленным спорам по заявкам. Новизна, говорится в определении, это наличие новых свойств. Но что счи­тать новыми свойствами? На этот счет нет точных ука­заний.

И получается: новизна — это, когда есть новизна...

На практике «существенная новизна» неизбежно сво­дится к понятию «существенное изменение» (по сравне­нию с прототипом) и далее к понятию «значительное изменение». Много изменил — есть изобретение, мало изме­нил—нет изобретения. Причем «много» или «мало» оп­ределяется в конечном счете личным мнением эксперта.

Между тем существует объективный критерий: изоб­ретение - это устранение технического противоречия. Ис­пользуя этот критерий, можно в значительной мере объ­ективизировать экспертизу заявок.

Обратимся к конкретному примеру.

В журнале «Изобретатель и рационализатор» была опубликована статья эксперта Е. Немировского «Что та­кое изобретение?». В ней автор привел эпизод из личной практики.

Два инженера разработали конструкцию самонакла­да для подачи в машину переплетных крышек. «Рассмат­ривая эту заявку,—пишет эксперт,—я вспомнил о таком же примерно устройстве, имеющемся в одном из немец­ких патентов. Единственное различие состоит в том, что наши изобретатели установили стенки стапельной короб­ки на расстояние, меньшее длины переплетной крышки... Я счел это отличие несущественным и подготовил проект решения об отказе в выдаче авторского свидетельства».

Здесь все характерно. Это классический пример мето­да сравнения. Эксперта не интересует, зачем сделаны изменения, какие при этом получаются результаты. Нет, действует принцип формального сравнения. Эксперт оты­скивает прототип. Изменение кажется ему несуществен­ным: подумаешь, изменили какую-то длину стенки! А не­существенное, незначительное изменение означает, по мнению эксперта, отсутствие существенной новизны. И он спокойно пишет проект отказа.

Но метод сравнения на этот раз дал явную осечку. Е. Немировский рассказывает: «Однако наши изобрета­тели разъяснили, что боковые упоры, описанные в немец­ком патенте, должны быть весьма жесткими, чтобы уст­ранить прогибание стопы. С другой стороны, если упоры окажутся слишком жесткими, присосы не смогут выта­щить крышку из коробки. Это противоречие делало са­монаклад неработоспособным. Стоило лишь изменить расстояние между стенками, как они начали восприни­мать вес крышек... новое соотношение размеров, принятое московскими изобретателями, позволило неработоспо­собное устройство сделать работоспособным. Я признал, что ошибся. Изобретателям выдали авторское свидетельство». Здесь, в самом конце статьи, Немировский произ­нес то слово, с которого следовало бы начать: «противо­речие». Оказывается, дело не в значительности или не­значительности внесенного изменения, а в том, что было техническое противоречие и изобретение позволило его устранить.

Еще один пример.

Ленинградские инженеры Л. Гинзбург и Я. Перский послали заявку на ламповый блок с тороидальным транс­форматором. «Вам удалось создать очень хорошую кон­струкцию,— ответил эксперт,— но в ней нет элементов существенной новизны». В Ленинградском областном со­нете ВОИР рассмотрели заявку и... нашли существенную новизну. Вот в чем она состояла:

«При конструировании лампового блока, в котором объединены лампа высокого напряжения (вентиль) и питающий эту лампу трансформатор накала, необходимо изолировать ламповые гнезда и другие точки вентиля, находящиеся под высоким напряжением, от окружающих предметов иного потенциала, в том числе и от трансфор­матора накала. До сих пор повсеместно практика конст­руирования шла по пути создания достаточно большого разрядного расстояния между ламповыми гнездами и корпусом трансформатора. Для этого приходилось уста­навливать между трансформатором и вентилем длинный изолятор с высоковольтным монтажом. Между тем при конструировании аппаратуры важно не увеличивать, а сокращать габариты.

И вот инженеры Л. Гинзбург и Я. Перский предло­жили несколько увеличить окно тороидального трансформатора накала и внутрь этого окна поместить ламповые гнезда и другие точки высокого потенциала (сопротивле­ние «сетка»—«катод» и высоковольтный вывод)., залив что компаундом. Остроумное решение позволило отказаться от изолятора и внешнего высоковольтного монтажа. Но самое важное в другом: общие габариты блока сократились, и при таком принципе конструирования их уже не нужно расширять по мере увеличения напряжения вентиля» ¹.

Спор с экспертизой закончился так: «Было доказано, что авторам удалось преодолеть отмеченное выше противоречие и решить задачу именно потому, что в их конст­рукции трансформатор накала выполняет роль не только трансформатора, но и изолятора высоковольтных точек вентиля. Использование трансформатора в качестве изо­лятора и является новизной конструкции». Изобретатели получили авторское свидетельство.

Если изобретатели научатся видеть в изобретениях устранение технических противоречий, а эксперты научатся находить в заявках способы устранения таких противоречий, количество отклоненных заявок намного сократится.

* * *

Иногда техническое противоречие, содержащееся в за­даче, отчетливо видно. Таковы, например, задачи, реше­ние которых обычными путями наталкивается на недо­пустимое увеличение веса. Иногда противоречие незамет­но, оно как бы растворено в условиях задачи. Тем не ме­нее изобретатель всегда должен помнить о техническом противоречии, которое ему предстоит побороть.

«Надо добиться такого-то результата»,— это лишь по­ловина задачи; изобретателю необходимо видеть вторую половину: «добиться, не проиграв того-то и того-то».

Анкетные опросы показывают, что опытные изобрета­тели хорошо видят техническое противоречие, содержа­щееся в задаче. Так, П. Фридман (Ленинград), имеющий более двадцати авторских свидетельств на изобретения, пишет: «Изучаю трудности и противоречия существую­щих машин, аппаратов и систем». Каунасский изобрета­тель Ю. Чепеле очень точно характеризует эту важней­шую особенность изобретательского мастерства: «Надо найти в задаче технически противоречие, затем исполь­зовать подсказываемые опытом и знаниями способы уст­ранения противоречия».

Известный советский изобретатель Б. Блинов, подводя итоги своей тридцатилетней изобретательской работы, пишет: «На основании опыта говорю: вы не станете изобре­тателем, если не научитесь отчетливо видеть противоречия в вещах».

У изобретателя Ю. Чиннова было девять авторских свидетельств; освоив методику изобретательства, Ю. Чиннов получил еще три десятка авторских свидетельств, ре­шив ряд задач, считавшихся неразрешимыми. Один из главных инструментов Ю. Чиннова — анализ технических противоречий. Когда Ю. Чиннову поручили спроектиро­вать высокопроизводительную машину для кручения те­лефонных кабелей, он прежде всего вскрыл содержащее­ся в задаче техническое противоречие:

«При проектировании машины выяснилось, что повы­шению ее производительности препятствует сила натяже­ния нитей (проводов), которая возникает от трения ни­тей во время их движения о стенки крутильной рамки и приводит к недопустимому растяжению нитей (прово­дов). С увеличением скорости вращения рамки и ее диа­метра увеличивается центробежная сила, прижимающая нити к рамке, а следовательно, и сила трения нитей.

Получается заколдованный круг:

С увеличением диаметра и скорости вращения кру­тильной рамки недопустимо увеличивается центробежная сила, которая приводит в конечном счете к растяжению нитей. С другой стороны, уменьшая диаметр крутильной рамки, можно повысить скорость кручения, но тогда не­допустимо уменьшается диаметр приемной катушки, ус­тановленной внутри рамки, и, следовательно, длина изго­товляемого кабеля.

Явное техническое противоречие!»

В изобретательской практике нередки случаи, когда главное—обнаружить техническое противоречие, а коль скоро оно обнаружено, преодолеть его не представляет труда. Бывает, однако, и так, что ясно видимое техниче­ское противоречие отпугивает изобретателя: нужно сов­местить несовместимое, а это кажется невозможным!

«Нужно найти способ кручения кабеля на проход,— рассказывает далее Ю. Чиннов,—то есть вынести прием­ную катушку из вращающейся рамки и закрепить ее на неподвижном основании вне рамки. Такую катушку мо­жно сделать неограниченного диаметра, а кабель—неог­раниченной длины, и, кроме того, увеличить скорость кру­чения.

Начальник КБ новой техники Ташкентского кабельного завода предупредил меня, что в этом направлении очень много поработали изобретатели и конструкторы. В конце концов они пришли к выводу, что изобрести спо­соб кручения на проход так же невозможно, как и изо­брести вечный двигатель.

Однако я не отказался от мысли справиться с этой за­дачей. Решил действовать по методике изобретатель­ства...»

Не бойтесь технических противоречий!

Вот одна из простых задач. Решите ее самостоятельно; для этого достаточно четко сформулировать техниче­ское противоречие.

Задача 3

«При взгляде на гоночный автомобиль сразу бросают­ся в глаза колеса. Они придают машине свирепый вид. А между тем они создают добавочное сопротивление воз­духа, снижают максимальную скорость. Даже у обычных легковых автомобилей колеса закрыты обтекаемым ка­потом. Так почему же колеса гоночных машин не закры­ты обтекателями?

На виражах гонщик все время следит за передними колесами. Увидев их положение, он получает первую ин­формацию о направлении движения машины. Теперь предположим, что колеса закрыты крыльями. Повернув руль, гонщик должен смотреть, как пойдет машина, и вмешаться в управление после того, как автомобиль за­метно отклонится от намеченного пути. Вот почему авто­мобили для шоссейных гонок делают без крыльев. Дру­гое дело автомобили, предназначенные для гонок на спе­циально оборудованных треках. Там не нужна поворот­ливость. И машины закапотированы».

Чтобы решить эту задачу, надо точно найти «несовме­стимое» и ответить на вопрос: где и что придется изме­нить для устранения «несовместимости»? Задача отно­сится к гоночным автомобилям. Значит, решение мо­жет и не быть рассчитано на массовое и длительное применение.