Генрих Альтшуллер - Алгоритм изобретения
1. Установление взаимосвязи между независимыми объектами, участвующими в выполнении одной работы.
2. Устранение одного объекта за счет передачи его функций другому объекту.
3. Увеличение числа объектов, одновременно действующих на ограниченной площади, за счет использования свободной обратной стороны этой площади.
Пятый шаг. Исследование прообразов из других отраслей техники (поставить вопрос: как данное противоречие устраняется в других отраслях техники?).
Шестой шаг. Возвращение (в случае непригодности всех рассмотренных приемов) к исходной задаче и расширение ее условий, т. е. переход к другой, более общей задаче.
3. Синтетическая стадия
Первый шаг. Внесение изменений в форму данного объекта (новой сущности машины должна соответствовать новая форма).
Второй шаг. Внесение изменений в другие объекты, связанные с данным.
Третий шаг. Внесение изменений в методы использования объекта.
Четвертый шаг. Проверка применимости найденного принципа изобретения к решению других технических задач.
* * *В 1949 году Министерство угольной промышленности объявило всесоюзный открытый конкурс на создание холодильного костюма для горноспасателей, занимающихся спасением людей, оставшихся в шахтах при подземных пожарах. Задача была исключительно трудной, на первый взгляд вообще неразрешимой.
Проследим ход решения этой задачи с помощью АРИЗ-61.
Задача 4
Подземные пожары сопровождаются выделением ядовитого газа — окиси углерода, поэтому горноспасатели вынуждены применять кислородные аппараты. Работают эти аппараты по так называемой замкнутой схеме: кислород, хранящийся под давлением, постепенно подается в дыхательный мешок, а оттуда — в маску; выдыхаемые газы (они содержат много неиспользованного кислорода) очищаются в специальном патроне и снова идут в дыхательный мешок.
Такая система значительно экономичнее открытой (принятой, например, в аквалангах), при которой выдох производится наружу. И все же эта система далеко несовершенна. Кислородный аппарат довольно тяжел — он весит свыше 12 кг, а главное — он не защищает от высокой температуры. Между тем воздух в горящих горных выработках быстро нагревается до 100°C и выше.
При тяжелой физической работе организм человека выделяет тепла около 400 ккал в час. И отвести эти калории некуда — температура окружающей среды выше температуры тела. Не помогает и интенсивное выделение пота: при подземных пожарах влажность воздуха такова, что пот не испаряется, а стекает по телу. А тут еще извне идет мощный поток тепла — при температуре 100°C более 300 ккал в час. Таким образом, за два часа работы нужно отвести примерно 1400 ккал!
Главная трудность создания холодильного костюма заключается в том, что он должен мало весить — на горноспасателя можно нагрузить не более 28 кг, иначе он не сможет работать. Из этих 28 кг на долю кислородного аппарата приходится 12 кг, на долю инструментов — 7 кг. Остается всего 9 кг. Если бы даже весь аппарат состоял из холодильного вещества (а ведь и сама конструкция должна что-то весить!), то и в этом случае запас холодильной мощности был бы недостаточен для двухчасовой работы (этот срок указывался в условиях конкурса). Лед, сухой лед, фреон, сжиженные газы... Ни одно холодильное вещество не укладывается в жесткие весовые рамки.
Возьмем, например, лед. Это очень мощное холодильное вещество. Чтобы расплавить 1 кг льда, нужно затратить 80 ккал. А для нагревания образовавшейся воды до 35°C — еще 35 ккал. Таким образом, один килограмм льда дает возможность отвести от человека 115 ккал. А у нас этих калорий 1400, значит, потребуется 12 кг льда. Если учесть вес костюма и холодильного устройства (ведь холод надо распределять и регулировать!), получится, что нужен запас веса никак не меньше 15—20 кг.
Решение задачи 4
Логические операции Ход размышлений при решении задачи Аналитическая стадия Первый шаг Поставить задачу в общем виде. Создать холодильный аппарат. Второй шаг Представить себе идеальный конечный результат. Максимальная холодильная мощность. Третий шаг Что этому мешает? Большой вес необходимого (запасаемого) холодильного вещества. Четвертый шаг Почему? Потому что вес аппарата ограничен. Из 28 кг допустимой для горноспасателя нагрузки на долю холодильного аппарата приходится только 9 кг. Пятый шаг При каких условиях не будет мешать? Если на долю холодильного аппарата будет приходиться не 9 кг, а больше — 15 или 20 кг. Вывод: надо снизить вес кислородного аппарата и инструментов. Оперативная стадия Первый шаг Проверить изменения в самом объекте, в частности возможность его разделения. «Самим объектом» теперь являются кислородный аппарат и инструменты, вес которых надо уменьшить. Путь этот чрезвычайно затруднителен, ибо инструменты и кислородный аппарат совершенствовались годами. Конструкторы боролись буквально за каждый грамм... Нет, здесь мы многого не добьемся... Второй шаг Проверить возможность изменения в среде. Внешняя среда — шахтный воздух. Конечно, если бы этот воздух был чист, можно было бы отказаться от кислородного аппарата. Но шахтный воздух во время пожара не очистишь. Третий шаг Проверить возможность изменения в соседних объектах. Соседним объектом для кислородного аппарата и инструментов является третья составная часть нагрузки на горноспасателя — искомый холодильный аппарат. Заставить его одновременно давать кислород? Для этого нужно взять в качестве холодильного вещества не лед, не сухой лед, а жидкий кислород. Черт побери, кажется, это возможно. Правда, жидкий кислород менее мощное холодильное вещество, чем, например, жидкий аммиак, но зато мы сможем взять его много, чуть ли не 15 кг! Итог. Намечается идея: вместо двух аппаратов — кислородного и холодильного — иметь один. В этом аппарате будет использоваться жидкий кислород. Испарение и нагревание кислорода обеспечат охлаждающее действие; нагретый до нормальной температуры кислород пойдет на дыхание. Весить такой прибор может 12 + 9 = 21 кг. Синтетическая стадия Первый шаг Придание новой формы. Новой сущностью нашего аппарата является работа на сжиженном кислороде. Кислорода много. А раньше в кислородном аппарате его было мало и приходилось для экономии применять круговой цикл — выдыхаемый кислород шел на очистку в патрон с известью и снова на дыхание. Теперь можно отказаться от сложного и громоздкого кругового цикла. Комплексный аппарат окажется проще и дешевле, чем каждый из соединяемых аппаратов! Второй шаг Изменения в других объектах. Единственный «другой объект» — инструменты. Дать и им дополнительную нагрузку? Вряд ли это возможно. Третий шаг Изменения в методе использования. Подумаем, чем будет отличаться наш аппарат в использовании. Кислород быстро испаряется... Значит, вес аппарата будет быстро уменьшаться: из 21 кг на кислород приходится 15 кг. К концу работы аппарат будет весить всего 6 кг. А утомляемость зависит от среднего веса. Значит, можно сначала основательно перегрузить аппарат, брать побольше кислорода. Четвертый шаг Применимость найденного принципа к решению других задач. Где можно применить совмещение двух совместно работающих аппаратов? Помнится, аналогичная задача была в сварочной технике, где применяют переносные бензобачки и кислородные аппараты.
Общий итог: комплексный холодильный аппарат на жидком кислороде, некруговая схема питания кислородом, начальная перегрузка для увеличения мощности.
Были разработаны (мною совместно с инженером Р. Шапиро) два варианта комплексного холодильно-дыхательного аппарата. Оба проекта получили на конкурсе высшие премии — первую и вторую. Основной принцип — объединение холодильного и дыхательного аппаратов — лег в основу современных газотеплозащитных костюмов, впервые в мире созданных в Советском Союзе.
