Еволюція інженерного мислення

Ми говоримо зараз захоплено: «прекрасний багатотонний самоскид…», «чудовий надзвуковий літак…» Ця наша сьогоднішня традиція технічного мислення бере початок ще від винаходу колеса, а може бути, ската або навіть ковзанки. Сила і швидкість — ось дві головні мірки, якими з давніх часів і понині користуються при оцінці творів техніки. Збільшення сили і швидкості — ось основний сенс, який споконвіку вкладала людина в поняття «технічне вдосконалення». Вона досягла успіху в цьому вдосконаленні. Водяний, паровий, електричний, бензиновий (внутрішнього згорання), реактивний, атомний двигуни, відповідні машині пристрої, в яких ці двигуни використовуються, утворюють стрункий ряд технічних засобів, що ілюструє сходження людини.

Авіація?. Добре! Надзвукова авіація? Ще краще! Гіперзвукова авіація? Чудо! Фантастика! Слідом за літаками — ракети. Чи не можна досягти швидкості світла? Не можна? Але нічого, і без цього є простір для прогресу. Зовсім ще недавно нам здавалося, що «кількісному» розвитку техніки не буде кінця. Але межа технічного прогресу, заснованого на споконвічних уявленнях, виявляється, є.

Лабораторним щурам, які утримувались в звичайних приміщеннях, дихали нормальним кімнатним повітрям, пропонували для пиття чотири рідини на вибір: воду, розчин глюкози, розчин сахарину і алкоголь. Тварини незмінно вибирали воду.

Іншій групі щурів попередньо давали дихати повітрям, в якому містився окис вуглецю, причому його концентрація відповідала тій, яка характерна для повітря деяких міст, наприклад Нью-Йорка. Щури вибирали алкоголь. Бути може, і людина, що дихає міським смогом, чинить так само?

Тут мова йде про непрямий збиток здоров’ю, що наноситься, токсичними речовинами. Що стосується нових досліджень, пов’язаних з прямим впливом вихлопних та інших газів на людський організм, в них теж немає недоліку. Взяти хоча б шкідливий вплив свинцю.

Звідки береться в повітрі свинець? Головним чином, з етилованого бензину, що спалюється в автомобільних двигунах.

Не дивно тому, що багато хто вважає автомобіль ворогом міського жителя. Автомобіль — ворог… Навряд чи винахідник двигуна внутрішнього згоряння Жан Етьєнн Ленуар міг передбачити такий оборот справи, прагнучи знайти гідну заміну громіздкій, малопотужній, неекономічній паровій машині. Він працював в ім’я того, щоб людство було сильніше і спритніше. Йому і в голову не приходило, що в техніці можуть бути інші цінності.

Що ж це за цінності, упущені з уваги великими винахідниками минулого? Безпека – ось що стає зараз основною перевагою техніки. Безпека не у вузькому, примітивному сенсі цього слова – не тільки безпека того, хто вступає в прямий контакт з технікою.

Дослідники, які вивчають штучні способи викликання дощу, а також механізм утворення хмар, виявили, що деякі промислові підприємства, паперові фабрики, лісопильні заводи, на яких спалюються відходи деревини, алюмінієві заводи і т. п., — викидаючи дим, ненавмисно «засівають» хмари, в результаті чого випадають опади і буває так, що з навітряного боку від підприємства стоїть безхмарна погода, а з підвітряного боку йдуть дощі.

Це приклад неконтрольованої, а тому потенційно небезпечної зміни клімату в невеликому районі. Однак аналогічні процеси відбуваються і в набагато більших масштабах, навіть в масштабі всієї Землі.

Термін «безпека» має глобальний, або, точніше сказати, глобально-імовірнісний характер. Не завжди можна встановити безумовно, чи завдадуть будь-якої шкоди людям речовини, що викидаються в зовнішнє середовище, але завжди існує ймовірність, що такий збиток буде завдано. І ми починаємо вже розуміти, що в будь-якому випадку пристрій, що виділяє меншу кількість відходів, досконаліше, а тому і краще, ніж те, що викидає їх більше. Починають діяти інші критерії оцінки технічних пристроїв і діють вони зі зростаючою активністю. Удосконалювати техніку, в сучасному уявленні, — значить, надійно захищати її від оточення, а кінцева мета — ізолювати технічний пристрій від навколишнього середовища.

Чи не утопія це? Чи можливо загнати «в себе» заводи, фабрики, теплоцентралі, що розпустили по небесах шлейфи димів? У всякому разі, треба прагнути до цього. Може виявитися, що дорога, яку належить пройти до створення безпечної техніки, не так вже й велика. До речі сказати, атомна енергія, останній пункт, досягнутий людиною на дорозі збільшення сили, дає нам непогану відправну точку для нової подорожі — в країну безпеки. Не виключено, що з часом ядерний реактор стане одним з найбільш простих технічних пристроїв.

Вже зараз, наприклад, розроблено обладнання для атомних електростанцій, яке запобігає потраплянню в атмосферу газоподібних радіоактивних речовин. Радіоактивні гази вловлюються, зберігаються і періодично вивозяться у віддалені місця. Для зберігання газів, що виділяються протягом року електростанцією середньої потужності, потрібно всього п’ять балонів, розміри яких відповідають розмірам кисневих балонів, які використовуються при звичайній газовій зварці.

Чи не правда — майже ідеал «чистого» промислового підприємства? Однак і тут ще існує певна небезпека, бо радіоактивні відходи закопують в землю або ховають в морських глибинах, причому залишається ймовірність витоку небезпечних речовин. Якщо б ми спробували зараз знайти найбільш поширене зображення — символ технічного прогресу, ми, мабуть, зупинилися б на реактивному літаку — гостроносій сріблястій птиці з відігнутими назад крилами.

У ньому все нове, досконале, передове. Між тим, якщо розібратися, і на нього, так само як на автомобіль, вже заведено «досьє», де враховуються всі його гріхи. Сучасні висотні, швидкісні літаки викидають в розріджені верхні шари атмосфери вуглекислий газ, водяні пари, дрібні тверді частинки. Підраховано, що високі, що йдуть смугами перисті хмари, що утворюються в результаті польотів реактивних літаків, вже збільшили хмарний покрив між Північною Америкою і Європою на 5— 10 відсотків. Вважається, що небезпека, пов’язана з утворенням штучних хмар, значно зросте, коли почнеться експлуатація надзвукових пасажирських літаків. Якщо згадати, що хмари в середньому покривають 31 відсоток поверхні земної кулі, то легко зрозуміти: збільшення хмарного покриву на малих висотах тільки на 5 відсотків буде достатньо для значного пониження температури Землі.

Важко сказати, наскільки справедливі і виправдані всі ці побоювання, між самими фахівцями тут немає одностайності. У будь-якому випадку, однак, можна стверджувати, що літак, при всіх його реальних заслугах, вже не уособлює собою технічний прогрес і у символи він вже не годиться. Що ж, в такому випадку, слід поставити на його місце? Ризикуючи накликати на себе гнів деяких читачів, скажу — електромобіль. Чи не так, не дуже підходить для емблеми, значка? Зовні він нічим не відрізняється від звичайного автомобіля. І все — таки це — сьогодні, а то – вчора.

Автомобіль, літак, ракета — завершення однієї великої епохи. Електромобіль – початок іншої, не менш великої.

Колесо, вітряк, парова машина, двигун внутрішнього згоряння, знову автомобіль, літак, ракета — це знаки, символи, тотеми, що виражають уявлення людини про Землю як про щось величезне, неосяжне, що не можна (але так хочеться) обійти ногами, розпушити, перевернути голими руками (згадайте Архімеда, який мріяв перевернути «весь світ» — з допомогою важеля; згадайте непомірно перебільшене, на погляд сучасної людини, значення, яке надавалося першим навколосвітнім подорожам).

Електромобіль, автомобіль з фреоновим двигуном — інші знаки, інші символи, інші тотеми. Вони виражають новий погляд землянина на свою планету: Земля — маленька – маленька кулька, одним необережним рухом я, людина, істота, що досягла небаченої могутності, здатна погасити цей світильник, я повинен бути обережний.

Можуть сказати: але при чому тут електромобіль? Та й взагалі, якщо вже говорити про новий погляд людини на власну планету, про формування нових з нею взаємин, то чому забутий електровоз? Чи не він первісток? Автомобіль з електричним двигуном тільки порівняно з недавнього часу починає набувати популярність, а електровоз вже не один десяток років ходить по сталевих коліях. Але тут не можна забувати причини, що породили електровоз. Навряд чи турбота про чистоту повітря і безпеку стояла на першому місці при його конструюванні. Прагнення до економічності, бажання використовувати електроенергію, що стала дешевим товаром, — ось, мабуть, головна причина. Навпаки, електромобіль самим своїм народженням зобов’язаний ідеї глобальної безпеки.

Електровоз не зустрів опору, змінивши свого прабатька з паровою машиною, тихо помер природною смертю. Електромобіль готується до сутички зі своїм старшим родичем, який володіє бензиновим двигуном і на додачу — тотальним пануванням.

Втім, в рядах противника також відбувається перехід, який, можливо, врятує його від загибелі або, принаймні, відсуне її строк. У чому полягає це перестроювання? На автомобільних двигунах внутрішнього згоряння встановлюють всякого роду допалювачі, додаткові Компресори, обладнають електронні системи запалювання, двигуни постачають спеціальними каталізаторами.

Яке призначення цих пристроїв? Всі вони, так чи інакше, покликані зменшити вміст шкідливих домішок у вихлопних газах. Так, в допалювачі забезпечується безперервне і повне згоряння вуглеводнів і чадного газу. Вміст оксидів азоту у вихлопних газах зменшується, якщо встановити проміжний охолоджувач і повітряний фільтр.

На деяких автомобілях використовують хімічні реактори зі спеціальними каталізаторами, що поглинають шкідливі домішки у вихлопних газах. Заради того, щоб отримати якісь шанси в боротьбі з новими типами автомобільних двигунів, доводиться йти на жертви воістину героїчні. Подумати тільки, двигун внутрішнього згоряння готовий поступитися найдорожчим, самим святим — своєю силою: дожигатель знижує потужність на 20 відсотків, а хімічний реактор, в якому використовуються каталізатори, — навіть на 30. Мабуть, небезпека, що виходить від вискочок-конкурентів, справді велика.

І все це легко зрозуміти — вже сконструйований автомобільний двигун, що працює на фреоні по замкнутому циклу. Він не забруднює повітря і має ресурс 100 000 годин, тобто приблизно в 50 разів більше, ніж звичайний двигун внутрішнього згоряння.

Як би там не було, ці перші ознаки нешанобливого ставлення до давніх ідолів — швидкості і силі — на догоду веселому молодому богу — безпеці — ще раз доводять близькість великих змін.

Чи такий вже він веселий, цей бог? Бути може, навпаки, з ним нудно мати справу? Велика сила, велика швидкість, могутність – ось до чого ми прагнемо постійно, що-небудь творячи. Екстремальні спонукання, мабуть, характерні для будь-якої творчості. Безпека ж ніби не входить в число цих спонукань, властивих нашій психіці. Навпаки, вона — свідоме обмеження сили і швидкості.

Давайте уточнимо, однак, про обмеження яких сил, яких швидкостей тут йде мова. Згадаймо, що маються на увазі зовнішні сили і швидкості — механічні, хімічні, ядерні і т. п., — адже розмова ведеться про техніку. Саме тут безпека постає як засіб обмеження сили і швидкості. І саме як засіб обмеження вона, мабуть, представляється інженерам досить нудною справою, що має спорідненість з благодійністю. Судіть самі: я, інженер, можу спроектувати надпотужний двигун; використавши в проекті останні технічні новинки, закликаючи на допомогу всю свою винахідливість і дотепність, я намагаюся домогтися максимального ККД, і раптом мені радять, крім традиційного, близького серцю ККД, ще подбати і про безпеку двигуна. А значить, потрібно чимось поступитися, бо ніщо не дається дарма. Так виникає психологічний бар’єр.

Справа, однак, приймає зовсім інший оборот, коли безпеку розглядають не як свого роду благодійність, не як побічну, а як основну мету інженерної творчості. В такому випадку вона вже не виступає в якості обмеження, а, навпаки, зводиться до сили і швидкості — до сили і швидкості думки. Досягнення цієї мети приносить справжнє задоволення і радість, і ми все частіше стаємо свідками того.

Чи не такому підходу зобов’язані ми появою проекту двигуна внутрішнього згоряння, що працює на… воді? Вода попередньо розкладається на кисень і водень. Кисень випускається в атмосферу, а водень подається в двигун як звичайне паливо, що згорає в ньому, утворюючи нешкідливі водяні пари. Автомобіля, оснащений таким двигуном, як обіцяють автори проекту, чотирьох літрів води вистачить на 950 кілометрів. Чи не правда, чудова перспектива — всі бензинові колонки замінити водяними, у яких можна і машину «напоїти» і самому напитися?

Ми не беремося стверджувати, наскільки реальний проект такого роду, але сам факт виникнення подібної ідеї досить примітний. Останнім часом думка конструкторів знову звернулася і до димових труб: чи не можна зробити так, щоб вони викидали гарячі димові гази якомога вище? Зрозуміло, забруднення атмосфери цим не усувається, але гази розсіюються, не надаючи такого шкідливої дії. Так ось, в Казахстані побудована «найвища в світі» димова труба. Висота її — 419,7 метрів. Непоганий монумент в честь нового способу мислення в техніці!

Правда, саме конструктивне рішення, погодьтеся, занадто вже примітивне і прямолінійне. Точніше, рішення взагалі немає ніякого — є гола кількісна екстраполяція: були десятки метрів висоти — стали сотні, були сотні тонн бетону — стали десятки тисяч. І все це заради нового бога — безпеки. Але вже і в цій області блиснула іскра істинно творчого підходу. Всі знають, як чинять досвідчені курці, щоб не докучати димом своїм співрозмовникам: вони випускають дим акуратними кільцями, і він швидко піднімається до стелі.

В Англії розроблено простий і недорогий спосіб підвищення ефективності подібних споруд: дим з труби випускається імпульсами у вигляді кілець. При цьому він піднімається на висоту в чотири рази більшу, ніж при звичайній, безперервній течії, і, що дуже важливо, здатний проникати через ділянки атмосфери з температурною інверсією (при наявності такої інверсії, а також у безвітряну погоду звичайні труби, навіть надгігантські, виявляються неефективними). Згортатися в кільця, ущільнюватися і закручуватися дим змушує спеціальна форсунка, що періодично впорскує в його потік порції стисненого повітря.

Погодьтеся, що «міні-труба» (в чотири рази менша, ніж «максі») теж непоганий пам’ятник. А дим, швидко піднімається до неба легкими кільцями, крім гігієнічних, має і деякі естетичні переваги перед суцільним чорним шлейфом.

Непогано було б і сам дим зробити менш брудним. Чия це турбота — санітарних лікарів або конструкторів? Скажімо так: і конструкторів теж. Двадцять мільйонів тонн летючої золи викидають щорічно електростанції, що працюють на вугіллі. Накласти заборону на цей викид, встановити фільтри — півсправи. А куди її дівати, цю золу, що витрушується з фільтрів? Топити в океані в запаяних бетонних кубах, як чинять американці з газом «СБ». “Висилати” на ракетах в космос? Нонсенс! А чи не можна пристосувати її до справи? Виявляється, можна. Фахівці давно ламають голову над тим, як підвищити силу зчеплення автомобільних шин з дорожнім покриттям. З’ясувалося, що при введенні летючої золи в протектори шин і досягається бажаний ефект.

Невідомо, що послужило відправним поштовхом для такого пошуку — потреба автомобілістів або турбота енергетиків. Якщо конструктор автомобільних шин свідомо вибрав речовину, присутність якої в атмосфері настільки небажана, – це і є зразок сучасного інженерного мислення.

У багатьох інших подібних випадках справжні спонукання конструкторів і технологів встановлені досить точно, і будь-які сумніви на цей рахунок виключаються. Так, у Вірменії розроблена безвідходна технологія виробництва алюмінію з нефелінового сіеніту. Замість того, щоб викидати відходи, їх використовують для отримання… кришталю, різних хімікатів.

Взагалі нове інженерне мислення вимагає дещо іншого підходу до вибору конструкційних матеріалів і технологічної сировини. Якщо раніше конструктор і технолог ставили перед собою конкретну мету, а потім підбирали матеріал з тих, що існують в природі, то тепер з’являється великий список речовин, що визнаються «нон-грата» санітарною інспекцією. Вдумливе вивчення цього списку, що передує конструюванню, вибір з нього матеріалів, придатних для вирішення даної конструктивної задачі, або, можливо, навіть деяке коригування самої конструкції під цей матеріал, відтепер повинні ставитися у велику заслугу фахівцеві.

Про деякі “забруднювачі” атмосфери говорять багато. Такі автомобілі, димові труби. Про інших згадують менше. Танкер, наприклад, перевозить рідкий газ, заслуговує більшої згадки, бо видобуток (і морське перевезення) газу все збільшується. Пливе такий танкер по морю, газ в танках випаровується, його “стравлюють” в атмосферу – сотні тонн газу.

Але ж це пальне. Куди дивляться конструктори? Виявляється, вони вже підмітили цю нісенітницю: один вид палива спеціально запасається для суднових двигунів, а інший безоплатно випускається назовні. Створений двигун, що працює на продуктах випаровування рідкого природного газу і на звичайному дизельному паливі. Причому це останнє додається в невеликій кількості (близько п’яти відсотків) і використовується тільки для порушення процесу горіння всередині циліндрів. Розрахунки показують, що тієї кількості газу, яка зазвичай викидається в атмосферу, цілком достатньо, щоб забезпечити рух танкера з повною вантажопідйомністю. А запас палива для двигунів завдяки такому рішенню скорочується майже в десять разів.

Словом, інженерна думка рухається в новому напрямку. Як бачить читач, тут вже досягнуті деякі успіхи, але головне — попереду. Важливо, що він, цей рух, почався. Психологія технічної творчості зазнає чергову еволюцію.

Автор: Олег Мороз.