Основы инженерного творчества(Суздальцев А.И

Нередко, начиная работу в одном направлении, Эдисон сталкивался с явлением, которое подсказывало его изощренному уму решение совсем другой проблемы. Так, его работа над граммофоном началась после того, как он создал телеграфный репитер, делавший рельефные оттиски на бумажном диске. Ему также помогло наблюдение, что мембрана телефона колеблется со значительной амплитудой. В 1877 году Эдисон создал свой неуклюжий, но вполне работоспособный фонограф, в котором запись звука производилась на цилиндр из оловянной фольги. Цилиндр приводился в движение рукояткой, для большей равномерности вращения снабженной маховиком; время записи составляло всего минуту. Это изобретение принесло ему мировую известность. Эдисон предсказал своему детищу множество применений (сейчас для этих целей используются магнитофоны), а также придумал способ получения восковых копий с основной матрицы. Но в 1878 году он оставил работы над граммофоном на десять лет и занялся главным изобретением своей жизни.

В сентябре 1878 года Эдисон убедился, что электрическую дугу, питаемую от одного источника, нельзя распределять по искровым промежуткам и использовать для освещения домов наподобие газовых рожков. Одному из репортеров он заявил, что предвидит создание центральной электростанции, которая способна осветить весь Нью-Йорк, и сказал, что решит эту задачу в шестинедельный срок.

Он понял, что ему нужно создать разветвленную схему освещения с большим количеством лампочек примерно по 8 свечей, соединенных параллельно и снабженных отдельными выключателями; сопротивление каждой лампочки должно было составлять 100 – 200 Ом. Целью изобретателя, как он сказал репортерам, была не материальная выгода, а «первенство в решении проблемы».

Вначале Эдисону удалось заставить светиться нить накаливания из обугленной бумаги в вакууме в продолжение 8 мин. Затем он применил платиновые нити, соединенные с автоматическим регулятором, замыкавшим нить накаливания накоротко, едва она перегревалась. Эти нити светились уже 10 мин, и по словам изобретателя, успех ему был обеспечен. После этого Сильванус П. Томпсон опубликовал статью, в которой утверждал, что будто все попытки создать лампы накаливания обречены на неудачу и разговоры Эдисона о разветвлении токов свидетельствуют о его полном невежестве в области электротехники и электродинамики. «Своими заявлениями Эдисон нарочно поставил себя в затруднительное положение, чтобы иметь

30

стимул разрешить эти затруднения». Данное высказывание принадлежит Ф. Р. Эптону, математику, который работал с Эдисоном. Когда Эптон впервые появился в Менло-Парке, Эдисон попросил его вычислить объем колбы электрической лампочки. После того как Эптон больше часа провозился с вычислениями, Эдисон сделал это за несколько секунд с помощью мензурки с водой [17].

Эдисон основал собственную компанию под вывеской «Электрик лайт компани» и собрал на свои изыскания 50 000 долларов. Это насторожило газовые компании, занимающиеся освещением. Парламентская комиссия в Великобритании, которую консультировали лорд Кельвин и Джон Тиндаль, пришла к выводу, что проекты Эдисона «не заслуживают внимания инженеров и ученых», а сэр Уильям Прис в своей лекции в Королевской академии утверждал, что если э.д.с. в цепи постоянна, то при включении в цепь дополнительных лампочек последовательно сила их свечения уменьшается обратно пропорционально квадрату числа лампочек, а при параллельном соединении – обратно пропорционально кубу их числа. Следовательно, создание разветвленной электрической сети есть не что иное, как «свет слабоумного» и обречено на провал».

Эдисон интуитивно понимал закон Ома лучше любого профессора и сознавал, что лишь создание лампы с внутренним сопротивлением 100 – 200 Ом и разработка электрогенератора со стабильным напряжением на выходе позволят осуществить централизованное электроснабжение без слишком большого количества проводов. В январе 1879 года он сделал первую лампу с платиновой нитью, имеющую высокое внутреннее сопротивление, а затем испытывал нити из сплава платины с иридием, а также из бора, хрома, молибдена, осмия и никеля – с вольфрамом работать еще не умели, поэтому он не пытался сделать нить из этого металла. Эдисон прилагал значительные усилия, чтобы получить высокий вакуум, и обнаружил, что, откачивая лампу при подогретой нити, можно несколько повысить температуру плавления нити и удалить газы, сорбированные нитью. Однако финансисты выразили сомнение в успехе его замысла, когда он обратился к ним за дальнейшей помощью; это воздвигло перед ним препятствие в виде «каменной стены в сто футов вышиной». Эдисон отказался от платины и совместно с сотрудниками испытал 1600 образцов различных материалов.

К середине 1879 года ему удалось сконструировать динамомашину с непосредственным приводом на 350 об/мин, практически постоянным выходным напряжением и более высоким КПД (90 %), чем у прежних. Этого он добился за счет использования наборных

31

магнитопроводов из листового железа и толстых медных проводов в обмотках. Он также научился запаивать колбы при давлении 10 – 15 атм.

Затем Эдисон вернулся к опытам с угольной нитью, используя новую методику дегазации. Ему удалось создать нить сопротивлением 200 Ом (длиной 150 мм и диаметром 0,4 мм) из отожженной каменноугольной смолы. 21 октября 1879 года время свечения обугленной хлопчатобумажной нити достигло 13,5 ч; за этим последовали новые опыты с различными обугленными материалами растительного происхождения, и в декабре, после четырнадцати месяцев экспериментов, срок службы нити накаливания из обугленного картона составлял уже 170 ч. Об этом успехе написали газеты, и Эдисон снова получил финансовую поддержку. Наконец были найдены нити из обугленного бамбука, которые служили до 1200 ч.

После этого Эдисон занялся разработкой сети центрального электроснабжения. Он сконструировал динамо-машину с регулятором напряжения, предохранители, выключатели, электропатроны с винтовым цоколем, подземные кабели с изоляцией из смолы, трехпроводную распределительную сеть для уменьшения расхода медных проводов на данное количество лампочек. В 1880 году он установил электрическое освещение на корабле «Колумбия», в том же году построил действующую модель электрической железной дороги, но столкнулся с проблемой патентных приоритетов и отказался от проекта. К рождеству 1880 года лаборатория в Менло-Парке была освещена электричеством – здесь было установлено 425 лампочек по 16 свечей; ток для них давал генератор мощностью 120 л. с. На устройство электрической сети ушло свыше 12 км медного провода.

Эта демонстрация имела успех, и, несмотря на противодействие газовых компаний, Эдисон получил концессию на освещение НьюЙорка электричеством. Он тщательно исследовал экономическую сторону проекта и выяснил, что на питание лампочки в 16 свечей будет затрачиваться ~0,18 кг угля в час, что примерно соответствовало затратам угля на газовый рожок такой же яркости. Тогда Эдисон снова занялся производственной деятельностью и основал компании по производству компонентов системы электрического освещения и строительству системы в целом.

Строительство системы освещения Пѐрл-стрит в Нью-Йорке было начато в сентябре 1882 года, но сразу же столкнулось с целым рядом трудностей. Это в первую очередь касалось организации фабрик по

32

изготовлению компонентов системы и пуска еѐ в действие. Разрешением возникших проблем Эдисон был всецело занят много лет. В этот период им были заложены основы всей электротехнической промышленности. По словам Эдисона, в те годы он был не изобретателем, а администратором; ему пришлось столкнуться с множеством судебных исков, так как его конкуренты то и дело выискивали когонибудь, кто выдвигал аналогичные идеи до Эдисона. Однако Эдисон и его сотрудники выиграли окончательный процесс, поскольку Эдисон первым осознал необходимость создания ламп с высоким внутренним сопротивлением и первым создал работоспособную систему. На суде в 1880 году он заметил: «За последние десять лет у меня перебывало множество математиков, и все они оказались никчемными специалистами. Математика всегда шла следом за экспериментами, а не перед ними... Я нанимаю математиков, а не они меня».

К этому же периоду относится открытие «эффекта Эдисона» – движения электрических зарядов в откачанной колбе от отрицательно заряженной нагретой нити к впаянной в колбу металлической пластине. Изобретатель пытался использовать этот эффект для контроля температуры нагретой нити; впоследствии это привело к открытию электрона, созданию вакуумной электронной лампы и электроники в целом (имей Эдисон достаточное научное образование, он, вероятно, сам занялся бы работами в этой области). В 1889 – 1904 годах он сконструировал практическую модель 35-миллиметровой киносъемочной камеры.

В1889 году Эдисон стал яростным противником энергосистемы переменного тока, разработанной конкурирующей компанией «Вестингауз» и позволявшей передавать ток на значительное расстояние (это связано с работами Теслы).

В1887 – 1888 годах он вернулся к фонографу и придумал для него пружинный привод с регулятором оборотов, доведя свое изобретение до промышленного образца. В 1892 году Эдисон продал свою долю в компании «Дженерал электрик» и несколько лет работал над проблемой обогащения железных руд. Однако, когда было открыто месторождение богатых железных руд в Месаби, он прекратил изыскания, в которые вложил два миллиона долларов собственных денег.

Последней значительной работой Эдисона было создание железоникелевого аккумулятора.

Поучительные сведения о характере творческой деятельности Чарльза Парсонса (1854 – 1931) можно почерпнуть из его записок.

33

Его отец, граф Росский, был любителем техники. В замке Бирр, где Чарльз провел большую часть детства и получил домашнее воспитание, он построил кузницу и механическую мастерскую, в которых можно было изготавливать любые механизмы и даже телескопы. С отцом и братьями будущий изобретатель конструировал паровые машины, электромагниты и телескопы; для морских прогулок они построили парусную яхту с металлическим корпусом. В те годы в Кембридже не было инженерного отделения, и Парсонс закончил в 1877 году математический факультет. На выпускных экзаменах он был одиннадцатым (Парсонс хорошо решал задачи, но плохо запоминал теоремы). Его комнаты были завалены техническими моделями, среди которых был и эпициклоидальный паровой двигатель с очень высоким числом оборотов. Для проверки своих идей Парсонс не прибегал к высшей математике, предпочитая ей арифметические расчеты и прикидки «по порядку величины». Позднее он говорил, что пять лет, отданных изучению математики, были самыми изнурительными в его жизни.

По окончании Кембриджа он провел три года в обучении у сэра Уильяма Армстронга в Ньюкасле, где почерпнул много нового из области инженерной механики и конструирования. Парсонс решил для себя, что будет заниматься не отвлеченной натурфилософией, а практическим конструированием. К тому времени уже существовало понятие КПД тепловых машин и была очевидна необходимость увеличения коэффициента расширения пара в тепловых машинах. Парсонс не мог не видеть недостатков, присущих одноцилиндровому паровому двигателю.

В 1884 году он стал младшим компаньоном Кларка Чепмена в Гейтсхеде, и они начали совместную работу над электрогенераторами для морских судов (тогда предполагалось еще дуговое освещение). Парсонс прекратил прежнюю работу над ракетами и торпедами – он писал, что именно тогда решил сконструировать паровую турбину, которая могла бы непосредственно приводить в движение высокооборотный электрогенератор. В 1885 году он построил турбину, развивавшую мощность 6 л. с. при 18000 об/мин и расходе пара 68 кг на 1 кВт/ч. К 1889 году, когда изобретатель решил расстаться с Чепменом, на его счету уже были турбины мощностью 20 л. с. при расходе пара 28,5 кг на 1 кВт/ч.

Как активные, так и реактивные турбины тогда не были новинками; Лаваль в то же время работал в Стокгольме над конструкцией ре-

34

активной турбины по типу турбины Герона, у которой пар выходил с большой скоростью из концов S-образной трубки наподобие фейерверочной шутихи. Вскоре Лаваль разработал активную турбину с несколькими неподвижными паровыми соплами, которые сужались к середине и расширялись вблизи выходного отверстия. Пар со сверхзвуковой скоростью выходил из сопла и попадал на лопатки турбины. Теория сопла Лаваля была разработана к 1888 году. Лаваль также первым использовал гибкий вал для самобалансирования ротора активной турбины, вращающегося с огромной скоростью (в идеале скорость движения лопаток равна половине скорости истечения пара). Мощность таких турбин была доведена до 500 л. с.

Парсонс также употребил гибкий вал, но ему пришла в голову блестящая мысль о многоступенчатом расширении пара – это исключало необходимость доводить скорость пара до сверхзвуковых величин (порядка 1000 м/с), как в одноступенчатой турбине. Такой расчет позволил значительно увеличить мощность турбин – до многих сотен мегаватт – без риска разрыва лопаток центробежными силами. Струя пара равномерно проходит через такую турбину от одной ступени к другой; нет нужды прибегать к клапанам и подвижным парораспределителям.

Вначале турбины Парсонса потребляли больше пара, чем поршневые паровые машины, и имели лишь то преимущество, что были компактными и быстровращающимися, это позволяло соединять их с генераторами постоянного тока без промежуточного редуктора. Однако Парсонс поставил своей целью экономию топлива, и к 1897 году разработал близкие к оптимальным требования к форме и расположению лопаток. Ему удалось достигнуть тысячекратного расширения пара без промежуточных потерь, в то время как теоретический КПД поршневой паровой машины с тройным расширением составляет всего 16 %.

В тот же период Парсонс разработал турбину с параллельным потоком, у которой пар поступал посередине и выходил с обеих сторон; таким образом компенсировалась осевая реактивная сила. Изобретатель также понял необходимость делать лопатки ротора длиннее по мере расширения пара. Он экспериментировал с турбинами, ступени которых были концентрическими и лежали в одной плоскости, но обнаружил, что они уступают турбинам с осевым расположением ступеней.

35

Парсонс вынужден был реконструировать генератор, чтобы полнее использовать преимущества машин с большим числом оборотов. Он применил в генераторе относительно слабый магнит из чугуна, стремясь уменьшить потери на гистерезис, и разработал регулятор напряжения, управлявший напряженностью магнитного поля. В 1885

– 1889 годах на военно-морских судах во всем мире было установлено около 400 турбогенераторов мощностью до 75 кВт, дававших постоянный ток низкого напряжения при большой токовой нагрузке. К 1885 году потребление пара было доведено до 15,6 кг на 1 кВт/ч.

В 1889 году Парсонс решил отделиться от Кларка Чепмена и основать собственную фирму, но по соглашению, заключенному в ту пору, когда Парсонс и Чепмен были партнерами, все патенты принадлежали фирме. Тяжба длилась три года, и все это время Парсонс пытался доказать, что его патенты стоят очень мало (каких-нибудь 2000 фунтов стерлингов), а Чепмен старался оценить их подороже. Эксперты Парсонса утверждали, что его идеи не новы. Им удалось откопать патент, выданный в 1848 году Роберту Уилсону на роторные двигатели, размещенные на общем валу и приводимые в движение последовательно паром одного котла. В свою очередь сэр Уильям Томсон, эксперт Кларка Чепмена, заявил, что Парсонс самостоятельно пришел к этой идее и сделал ее работоспособной, разработав удачный способ смазки, обеспечив динамический баланс с помощью полужесткого подшипника, а также применив схему параллельного потока и неподвижные лопатки криволинейного профиля для отклонения и ускорения струи пара на входе в следующую ступень.

Конец тяжбе положил Кларк Чепмен. Он заявил, что для того, чтобы продемонстрировать свою уверенность в значимости патентов, он будет работать над их практическим осуществлением. Самостоятельно Парсонс сделал попытку создать турбину с радиальным потоком, но столкнулся с большими трудностями. Он сумел выкупить свои патенты у Чепмена лишь в 1894 году.

По свидетельству Дугалда Кларка, патентного агента Парсонса, свои новые идеи изобретатель обычно излагал ему как минимум минут двадцать, пока, наконец, удавалось понять, что же именно он имеет в виду, – Парсонс явно не обладал умением выражать суть дела двумя словами. Как легко заметить, основная заслуга Парсонса состоит в том, что он отчетливо представлял себе конкретную задачу, например, смазки, утечки пара, конденсации, вибрации, прочности и формы лопаток. Всесторонне изучив проблему, он решал ее либо с

36

помощью оригинальной технической мысли, либо посредством нового конструктивного подхода, основанного на ясных физических представлениях. Так, идеи, лежащие в основе создания турбины, не были новыми, но Парсонс сумел реализовать их на практике за счет целого ряда дополнительных изобретений. Он упорно работал над уменьшением удельного расхода пара, пока КПД турбины значительно не превзошел КПД поршневой машины с тройным расширением.

Когда в 1898 году Парсонс попросил продлить срок действия патента, выданного ему в 1884 году, выяснилось, что его затраты на эксперименты превысили общий доход (с учетом 7 % годовых на капитал вложения), – иными словами, труды почти полутора десятков лет не принесли ему никакой выгоды. Только личное состояние изобретателя позволило ему продолжать разработку турбины вопреки глубоко безразличному, а подчас просто враждебному отношению окружающих. От турбоэлектрогенератора Парсонс перешел к применению турбины в качестве основного судового двигателя: в 1894 году корабль «Турбиния» развил скорость в 35 узлов. Срок действия патента Парсонса удалось продлить на пять лет, так как судебная комиссия палаты лордов сочла, что автор не получил достаточного вознаграждения. По мнению членов комиссии, если обладатель патента

втечение срока его действия получил меньше 10 000фунтов стерлингов, то срок действия следовало продлить.

Стремясь продемонстрировать преимущества турбины в качестве судового двигателя, Парсонс в 1894 году основал акционерную компанию «Марин стим тэрбин» с капиталом 25 000 фунтов стерлингов и построил 33-метровое судно «Турбиния», оснащенное радиальной турбиной мощностью 1000 л. с. После успешных испытаний судна («Турбиния» развила скорость 32,25 узла на мерной дистанции в одну милю) в 1897 году была создана новая компания «Парсонс марин стим тэрбин» с начальным капиталом в 240 000 фунтов стерлингов.

При предварительном проектировании «Турбинии» Парсонс проводил модельные испытания корпуса судна (на моделях длиной 0,6 м и 2 м), причем его особенно интересовали возможности перехода на глиссирование и необходимая для этого эффективная мощность двигателя. Мощность он изучал с помощью гребного винта, приводимого

вдвижение резиномотором со скоростью 8000 об/мин, и на основании модельных испытаний предсказал мощность, необходимую для «Турбинии», с точностью до 3 %. Гребные винты испытывались в натуральную величину. Наилучших результатов после 31 испытания

37

семи конструкций Парсонс добился, применив три винта на одной оси. Измеряя момент вращения с помощью пружинного датчика, он принял решение установить винты на раздельных валах, каждый из которых приводился в движение осевой турбиной. Это позволило ему довести скорость судна до 34 узлов.

1.4.Период массового глобального внедрения изобретений с фирменной правовой защитой

Этот период начался в конце XIX века и продолжается в настоящее время, т.е. основное историческое время – XX век.

Тщательный анализ изобретений, сделанных в прошедшем столетии, проведен в книге М. Тринга и Э. Лейтуэйта [17]. Авторы делают вывод, что по сравнению с изобретателями-одиночками современным корпорациям принадлежит гораздо большая доля изобретений, чем прежде. Их доля приближается к 70 %.

По мнению авторов эти цифры несколько завышают долю корпораций, поскольку, во-первых, корпорации патентуют немало вспомогательных изобретений, а также заручаются патентами для подавления конкуренции, между тем как в некоторых областях, например, в области перегонки нефти или в фотографии, по-настоящему значительные идеи были выдвинуты изобретателями-одиночками. Вовторых, нередко изобретатели-одиночки уже на ранних стадиях передают свои патенты корпорациям. В одних областях (химия, электроника) доля корпораций больше, в других (авиация, двигатели внутреннего сгорания) – меньше. В тех областях, которые достигли настолько высокого уровня развития, что для проверки новой гипотезы требуются работа высококвалифицированных специалистов и затраты порядка сотен тысяч фунтов стерлингов, у изобретателяодиночки нет надежды на успех, который иногда выпадал на долю изобретателей в прошлом. Но и теперь официальные круги, включающие в наши дни и крупные корпорации, не менее яростно, чем прежде, противостоят всяким значительным новшествам. Это в основном объясняется двумя причинами: эксперты безразличны, ибо видят, что их знания оказываются ненужными, а администраторам не очень хочется прикладывать усилия, чтобы переключиться на нечто новое. Классический подход к любым новшествам можно условно разделить на три этапа [17]:

-это не будет работать;

-если и будет, то окажется неэкономичным;

38

- я придумал это первым.

В еще больший упрек прошедшему столетию можно поставить то, что при изучении основных принципов физики и химии, которые необходимы изобретателю, работающему в любой области, будущий изобретатель часто теряет веру в себя.

Среди изобретателей, добившихся успеха в XX веке, было немало других, кто получил хорошую подготовку в своей области и начал работу над изобретениями без поддержки крупных корпораций. Среди них Уиттл (авиационный газотурбинный двигатель), Ленд (фотоаппарат «Полароид»), Ванкель (роторный ДВС), Моултон (гидравлический амортизатор и велосипед с колесами малого диаметра), Коккерелл (аппарат на воздушной подушке), Фергюсон (установка плуга непосредственно на тракторе), Честер Карлсон (ксерокс), Шорин А.Д. (звуковое кино), Строуструп (язык СИ++), Михаил Калашников (автомат), Понятов А.М. (видеомагнитофон), Бакминстер Фуллер (геодезические купола).

Наиболее значительными фигурами этого периода являются: Де Форест Ли (1873 – 1961) – изобретатель радиолампы, звукового кино, триода, и автор более 300 патентов.

Никола Тесла (1856 – 1943) считается отцом современной концепции энергосистем. Исследования магнитного поля, создание первых индукционных электродвигателей, многофазных трансформаторов принесли ему широкую известность в научных и инженерных кругах. Он был знаком с Эдисоном и даже работал с ним непродолжительное время. Эдисон, бросивший все усилия на создание энергосистем постоянного тока, не смог принять концепцию электромашин переменного тока, предложенную Теслой, и они разошлись. Никола Тесла сегодня – это технология беспроводной передачи электроэнергии и прикосновение к управлению временем (проект «Радуга» и «Филадельфийский эксперимент»). Некоторые эксперименты, такие как электромобиль Теслы и шаровые молнии, продемонстрированные им публике, до сих пор поражают воображение (см. прил. 7).

Зворыкин В.К. (1889 – 1982) – изобретатель электронного микроскопа, телевизионного читающего устройства, им получено более 120 патентов (более подробно см. прил. 8).

Алан Матисон Тьюринг и Норберт Винер – родоначальники ЭВМ.

39