ист_тех. Учебник СанктПетербург 2003 Утверждено редакционноиздательским советом спбгиэу рецензенты
 Скачать 29.41 Mb.
|
Глава 8. Подготовка и осуществление перехода к автоматическим системам машин. Научно-техническая революция XX в. (1930 г. – настоящее время)8.1. Основные направления научно-технической революции (НТР)1. Расширение использования электричества и использование атомной энергии в мирных целях; 2. Проникновение электроники в различные сферы деятельности человека; 3. Улучшение природных свойств материалов и создание искусственных материалов с заданными свойствами; 4. Исследование Вселенной; 5. Автоматизация и кибернизация производства и управления; 6. Освоение атомной энергии и других нетрадиционных источников энергии; 7. Революционные изменения в биологии. 8.2. Сущность НТРСущность НТР заключается в коренном изменении технологического способа производства. Противоречия в сущности НТР – это противоречия между отживающим машинно-фабричным и зарождающимся автоматизированным способом производства, между старой и новой социальными ценностями. Между отдельными элементами социальных ценностей наблюдаются основные противоречия: между старым и новым типов работника, старой и новой техникой, старой и новыми нормами организации производства, традиционной и нетрадиционной технологиями и т.д. Вопрос о сущности НТР органически связан с вопросом о соотношении ее c производственной революцией. В истории человеческого общества технические революции периодически приводили к свершению производственных революций, в ходе которых устанавливается качественно новый технологический способ производства. Это предполагает, во-первых, господство более совершенных производственных отношений и во-вторых, формирование нового уклада техники. Первое условие реализуется в ходе социальной, а второе – в ходе технической революции. 8.3. Научно-техническая деятельность и научно-технический потенциалВ содержание научно-технической деятельности включается:
Предметом научно-технической деятельности является информация, т.е. те научные знания, которыми непосредственно владеет человек, вовлеченный в научно-техническую и производственную деятельность. Она воплощается в технических средствах в технологиях и т.д. Продуктами научно-технической и производственной деятельности, достигшими стадии потребления, являются нововведения (или инновации). Соответственно процесс нововведения, т.е. создания новой техники и технологии охватывает период времени от начала исследований (фундаментальных и прикладных) вплоть до восприятия новшеств потребителями. Осуществление научно-технической деятельности может быть эффективным при наличии ресурсов: кадровых, материальных, финансовых, информационных и т.д. Эти ресурсы подразделяются на накопленные, т.е. имеющиеся в наличии к началу определенного этапа научно-технической деятельности и текущие, затрачиваемые в течении этого этапа. Накопленные ресурсы принято называть научно-техническим потенциалом, включающим: 1) научно-техническую информацию; 2) людей, владеющих этой информацией, пополняющих научно-технические знания и использующих их в научно-технической деятельности; 3) материально-техническую базу научно-технической деятельности; 4) организационные факторы реализации этой деятельности. Научно-технический потенциал находится в тесном взаимодействии с научным, образовательным, экономическим и производственным потенциалом общества. 8.4. Промышленные формы автоматизацииПромышленные формы автоматизации можно разбить на три этапа: I этап. Механизация автоматической системы машин (от конца XVIII в. – начала XIX в. до 70х годов XIX в.). Применяется единичный источник двигательной силы – паровая машина, превалируют механические технологии. II этап. Электрификация автоматической системы машин (30е-50е годы XX в.). Условия реализации этого этапа: 1) развитие электротехники, как качественно новой энергетической базы машинного производства и внедрение индивидуального электропровода; 2) специализация производства, связанная с переходом от единичного и мелкосерийного к крупносерийному и массовому производству. При этом в качестве управляющих устройств в автоматических машинах использовали уже известные кулачки и распределительный вал. Первыми автоматизированными станками были созданные во второй половине XIX в. в США револьверный станок и деревообрабатывающие автоматы. В 1873 г. Хр. Спеир создал один из первых металлорежущих автоматов, а в 90х годах появились первые многошпиндельные станки-автоматы. Автоматизация на электрической основе коснулась энергетической функции – многодвигательной электропривод позволил многократно преобразовать и транспортировать электроэнергию. Электрификация привела к появлению логической функции машин – начался переход к электромеханическим счетно-режущим устройствам. В связи с массовым производством машиностроительной продукции возникла необходимость в автоматизации контроля. На основе конвейерного производства стали формироваться автоматические станочные системы для обработки. Закрепилось техническое подчинение рабочего машине. Появилась узкая специализация металлорежущих станков и рабочих-станочников, труд которых был предельно интенсифицирован и упрощен на конвейере. III этап – электронизация автоматической системы машин (30е-50е годы XX в. – настоящее время). Условием перехода к этому этапу было внедрение электронной техники и ЭВМ в систему машин. Получили дальнейшее развитие электроавтоматизация, гидропровод и пневмопровод станков. Генеральным направлением автоматизации стало оснащение логических контрольно-управляющих и технологических машин электронной и электронно-вычислительной техникой. 8.5. Превращение науки в непосредственную производительную силуЖивому труду противопоставляются систематизированные научные знания, овеществленные в технических средствах, технологиях, методах организации производства. Можно выделить три этапа превращения науки в непосредственную производительную силу. I этап – развитие статики как раздела механики машин связан с мануфактурным способом производства (от XIV в. до конца XVIII в. – начала XIX в.). Техническими средствами были простые и сложные орудия, приводимые в действие руками человека или силами природы. Основным звеном машины был двигатель, и она выполняла энергетическую функцию. Данные науки целенаправленно использовались в производственной деятельности. II этап – развитие прикладной механики машин связан с машино-фабричным способом производства, с началом промышленной революции (от XVIII в. – начала XIX в. до 70х годов XIX в.). Техническими средствами были системы машин, имеющие один двигатель. Основными элементами машины были двигатель, передаточные устройства и рабочий орган, машина выполняет энергетические и транспортные функции. На рубеже XVIII-XIX вв. механика машин ограничивалась двумя разделами: а) кинематикой механизмов, которая занималась теорией передаточных механизмов; б) динамикой машин, предметом которой было теоретическое исследование паровой машины, включая теплотехнику. Познанные наукой законы и принципы механического движения получили воплощение в машинах двигателях и передаточных устройствах. В перовой половине XIX в. структура прикладной механики, согласно Ш. Лабуль, состояла из трех разделов: а) технологии, изучающей действие исполнительного механизма (рабочего органа); б) прикладной механики, изучающей двигатель; в) прикладной кинематики – науки о механизмах. III этап – развитие теории машин автоматического действия (машин автоматов) (от 70х годов XIX до 50х годов XX в.) связан с автоматизированным способом производства. Техническими средствами были системы машин, имеющих автоматически действующие двигатели. Основными элементами машины были рабочий орган, передаточный механизм, двигатель, машина выполняла технологические, энергетические и транспортные функции. Использовались данные наук: механики, технологии электроники. Теория машин-автоматов представляла собой раздел динамики рабочих машин. Первоначально машины-автоматы создавались на основе закономерностей механического движения (кривошипно-шатунный механизм, кулачковые механизмы и др.). IV этап – развитие теории автоматического управления машинами (от 50х годов XX в. до настоящих дней) связан с автоматизированным способом производства, с началом научно-технической революции. Техническими средствами стали кибернетическая система машин, действующих на основе технического использования форм движения материи с целью получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов и информации. Основные звенья машины: рабочий орган, устройства контроля и управления, передаточный механизм, двигатель, машина выполняла технологические, энергетические, транспортные, информационные и контрольно-управляющие функции. В рассмотренном этапе используются разделы науки: механика, технология, электротехника, электроника и ядерной и МГД – энергетики теории машин непрерывного транспорта технология: электроискровая, лазерная, плазменная, электронно-лучевая, химическая и др., биотехнология, кибернетика, робототехника, синергетика, системотехника, информатика. Формирование четвертого звена системы машин (устройств контроля и управления) позволило вытеснить человека непосредственно из производственного процесса. Первым устройством автоматического контроля и управления можно назвать механический регулятор, применяемый в паровом двигателе. Во второй половине XIX в. началось формирование теории автоматического регулирования (Дж. Максвела, Н.А. Вышеградский, А.Стодала и др.), объектом исследования которой стали механические устройства, превращающие различные виды энергии в механическую энергию – паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, турбины и т.д. Теория автоматического регулирования поначалу представляла раздел прикладной механики, поскольку объясняла процессы регулирования одного из звеньев системы машин-двигателя. Современная теория автоматического регулирования, используя методы механики (главным образом нелинейной), в то же время анализирует и проектирует автоматические устройства, функционирование которых осуществляется на основе физико-химических и биологических закономерностей. 8.6. Развитие кузнечно-прессовых, сельскохозяйственных и других машинВ 30е годы XX в. осуществляется резкий скачек в развитии кузнечно-прессового оборудования, без которого было бы не возможно массовое производство машин. Одно из ценнейших достоинств этого оборудования – существование экономии труда и металла: поковки, приближенные по форме к деталям, позволяли снизить объем механической обработки. Строительство мощных прессов началось в Германии, США в конце 20-х годов. В нашей стране в годы первых пятилеток удельный вес прессов и механических молотов отечественного производства значительно возрос. Был освоен выпуск паровых молотов с массой падающих частей 13т, эксцентриковых прессов – усилием до 500т. и кривошипниковых прессов до 900т., а также ножниц для резки металла и горизонтально-ковочных машин. Сельское хозяйство повсеместно начинает механизироваться. Усовершенствуются трактора. В США и Канаде были изобретены машины, в которых были совмещены функции жатки-косилки и молотилки-комбайна. С начала 30х годов Запорожский завод «Коммунар» приступил к выпуску комбайнов новой конструкции. Тогда же вошли в строй Саратовский завод комбайнов и Ростовский завод сельскохозяйственных машин, на котором было начато производство зерноуборочных комбайнов. На заводе «Коммунар» была применена конвейерная система сборки машин жаток-лобогреск. Появились канавокопалки, машины для уборки овощей. В конце 30х годов в США попытались создать свеклоуборочные комбайны. Развивалось энергетическое машиностроение, основой которого стала турбина. Габариты турбин и их мощность непрерывно росли. Так еще в 30е годы на Ленинградском металлическом заводе была построена турбина мощностью 100мВт. Развивалось транспортное машиностроение. В 1924 г. советский инженер Яков Моисеевич Гаккель спроектировал и построил первый в мире магистральный тепловоз, а в 1932 г. Коломенский завод приступил к его серийному изготовлению. Первый советский магистральный электровоз был построен в 1932 г. История автомобиле- и тракторостроения рассмотрена выше. Развивалось самолетостроение. В 1933 г. под руководством советского авиаконструктора Константина Александровича Калинина в Харькове был построен один из самых больших для того времени самолет К-7 на 120 пассажиров. Он имел 7 двигателей. В 30х годах было создано мощное семейство самолетов АНТ, построенных под руководством Андрея Николаевича Туполева. На самолет АНТ-25 был впервые осуществлен беспосадочный перелет Москва-Северный полюс-Ванкувер (США). Механизация в горном деле быстро развивалась в годы первой и второй пятилетки. Был налажен выпуск врубовых и навалочных машин, конвейеров, шахтных лебедок и насосов, буровых машин. Создание врубовых машин и на их основе угольных комбайнов было дальнейшим шагом вперед. В годы первых пятилеток в значительной степени было поставлено производство строительных и дорожных машин. Отечественные заводы освоили производство бетономешалок, растворомешалок и приступили к серийному выпуску экскаваторов. На строительстве появились ленточные транспортеры, сначала импортного, а затем отечественного производства. На ряде заводов осваивалось производство пневматических компрессоров, что позволило повысить уровень механизации трудоемких работ и обеспечить их безопасность. Был создан и электромеханический инструмент, при помощи которого были механизированны многие трудоемкие работы на строительстве и в машиностроении. Быстрый рост машиностроения поставил новые задачи перед металлургией: советские заводы начали осваивать производство тяжелой металлургической техники. Закончилась реконструкция Старокраматорского завода и вступила в строй первая очередь Новокраматорского завода. В 30х годах на заводе «Запорожсталь» был построен мощный обжимной двухвилковый прокатный стан, предназначенный для проката слябов. Одной из самых больших современных машин является блюминг – мощный обжимной прокатный стан, на котором можно прокатывать слитки весом до 20т. Первый советский блюминг, изготовленный на Ижорском заводе, начал работать на Макеевском металлургическом заводе. В годы второй мировой войны в США зенитная артиллерия была соединена с засекающими аэроплан устройствами – радарами. 8.7. Развитие вычислительной техники и ЭВМВ Древней Греции и Риме для облегчения вычислений пользовались абаком, представляющими доску с желобками, в которые клали камешки заменяющие то или другое число. В дальнейшем вместо камешков стали применять косточки, которые стали помещать на рамку с проволокой. Такие счеты появились в Древнем Китае и Японии, в России (русские счеты). Для умножения и деления на счетах стали применять палочки Непера, которые были описаны в 1617 г. изобретателем логарифмов (гр. logas – отношение + arihmas – число) шотландским математиком Непером (1550-1617). В 1623 г. английский математик Э. Гатнер изобрел логарифмическую линейку, на которой сложение отрезков производилось с помощью циркуля. Затем вместо циркуля английский математик У. Стред применил движок в 1630 г. После этого линейки приобрели современный вид. В XVII в. появляются счетные машины, позволяющие производить различные финансовые операции, инженерные расчеты и т.п. с большой точностью. В 1641 г. прищузский ученый Блез Паскаль (1623-1662) изобрел машину для арифметических вычислений, однако первую практическую машину, выполняющих четыре арифметических действия построил немецкий часовщик мастер Ган в 1790 г. Петербургский механик В.Г. Олдер в 1874 г. внес существенные изменения в конструкцию счетных машин, применив колесо с выдвигающимися зубцами – арифмометр (гр. аrithmos – число + metreo – измеряю). В СССР до 50х годов XX в. выпускались арифмометры «Фелисс», которые были основными вычислительными машинами. Практическая скорость вычислений в арифмометрах составляла не более 1000 операций в течение 8 часового рабочего дня. С целью машинной обработки информации в 40х гг. были созданы счетно-информационные машины. В этих машинах исходные данные наносятся на перфорационные карты, которые затем вводятся в машину и далее без вмешательства человека машины считывают содержащиеся в них данные и выполняют все необходимые вычислительные операции. Развитие радиоэлектроники привело к созданию электронных вычислительных машин (ЭВМ). В 1941 г. американский инженер Д.П. Эккерт и физик Д.У. Маугли сконструировали в Пенсильванском университете первую цифровую вычислительную машину, которая предназначалась для решения задач баллистики. Эта ЭВМ «ЭНИАК» имела 18 тысяч ламп и 1,5 тысячи реле. Для размещения машины необходим был зал площадью в 150-200м2. Машина позволяла за 1с. производить 300 операций умножения и 5000 сложений многоразрядных чисел, потребляя мощность до 150кВт. ЭВМ позволяли решить разнообразные задачи с высокой точностью. В СССР в 1950 г. вступает в действие малая электронная счетная машина (МЭСМ), разработанная советским академиком С.А. Лебедевым (1902-1974). Машина оперировала с 20-разрядами двойными кодами с быстродействием 50 операций в секунду, имея оперативную память в 100 ячеек на электронных лампах. В 1952 г. вводится БЭСМ в институте точной механики и вычислительной техники АН СССР, разработанная под руководством С.А. Лебедева. Машина занимала несколько залов, имела 5500 радиола, 31 тысячу конденсаторов, 30 тысяч сопротивлений и других радиотехнических деталей. За одну секунду, БЭСМ выполняет до 8000 арифметических действий. За 20 часов на БЭСМ были решены задачи с 800 уравнениями, требованиями до 250 млн. арифметических действий. Затем были разработки серийных ЭВМ «Урал», «Стрела», «Киев», «Минск». В первом поколении ЭВМ использовались электронные лампы, затем транзисторы, микросхемы и интегральные схемы, позволяющие производить до 100 млрд. операций в секунду. Машины становятся более компактными, появляются мини-ЭВМ, персональные ЭВМ, супер-ЭВМ, получившие название компьютеры (от лат. сomputо – считать, вычислять). С 1970 г. появляется разнообразная «малая техника» – калькуляторы (лат. саpculo – подсчитывать). В ряде стран разработаны системы информационных услуг, связанных с разработкой накопленной информации и доведением ее до потребителя в удобной для него форме с применением соответствующих технических средств. Информация накапливается в банках данных по всем областям науки и техники. Доступ к этой базе при кабельном телевидении можно получить на экране телевизора, имеющего несложную приставку. Эта система “телетекста” проста в использовании и имеет недорогие устройства декодировки. Затем разработаны системы видеотекста “Юронт”, “Таймыр”, “Сакадзе” и глобальная сеть “Интернет”. 8.8. История робототехникиРазвитие электротехники, вычислительной техники, машиностроения привели к появлению принципиально новых машин для автоматизированного производства – роботов, лазеров, роторных линий и т.д. Робот (чеш. robot – подневольный труд – машины, которая частично или полностью выполняет функции человека (иногда животных) при взаимодействии с окружающим миром. Термин «робот» был впервые введен чешским писателем К.Чапеком (1890-1938) в драме «R.U.R» (Россумские универсальные роботы) о восстании роботов, т.е. механических людей, написанный им в 1920 г. В первой половине XVIII в. французский механик Жак де Вокансон создал механического флейтиста и свирельщика, который правой рукой бил в бубен, а левой играл на свирели и прищелкивал языком. Особенно прославились своими механическими куклами швейцарские часовые мастера Пьер (отец) и Анри (сын) Дро. Пьер Дро вначале начал пристраивать к часам разные дополнительные механизмы, так к маятниковым часам приделал пастушка с собачкой. Когда часовая стрелка подходила к какому-либо часу, пастушок подносил ко рту флейту и свистел столько раз, сколько должно пробить часов. У ног пастушка лежала собачка, которая охраняла корзину с яблоками. Стоило кому-нибудь дотронуться до фруктов, то лай собачки прекращался. Эти часы были проданы после демонстрации в Мадриде королю Испании Фердинанду II. В 1770 г. был изготовлен первый механический человек «пишущий мальчик», который был ростом с пятилетнего ребенка. Он сидел на скамейке перед столиком и в правой руке держал гусиное перо, которое макал в чернильницу и писал разные слова. Во время письма мальчик двигал головой. Окончив работу, он посыпал лист бумаги песком для высушивания чернил, а потом стряхивал его. Весь приводной механизм размещался внутри мальчика. Затем Пьер Дро вместе с сыном изготовили рисующего мальчика и музыкантшу, которая играла на фисгармонии, ударяя пальцами по клавишам. Перед началом игры музыкантша осматривала ноты и делала рукой некоторые предварительные движения. Во время игры она поворачивала голову и глаза, как бы следя за положением рук. Ее грудь подымалась и опускалась, как будто она дышала. Окончив игру, музыкантша поворачивала голову, благодаря слушателей за одобрение. Свои творения Дро продемонстрировал в 1774 г. на выставке в Париже. Движение трех механических людей были так естественны, что зрители считали их живыми людьми. Только после показа сложного механизма со стороны сцены, зрители убеждались в том, что перед ними произведения техники, а не живые вещества. Эти произведения сохранились до наших дней и хранятся в музее изобразительных искусств города Невшателя в Швейцарии. Источником движения всех трех фигур является часовой механизм с заводной пружиной. Эти механизмы стали называть андронами в честь молодого талантливого изобретателя механических людей Андри Дро. Вершиной строительства механических кукол был «Храм очарований», открытый 150 лет назад в Петербурге изобретателем А.М. Гамулецким. Над площадкой лестницы парил женская позолоченная фигура, которая удерживалась магнитными силами. В руке она держала волторну, а как только гости ступали на площадку, подносила ее к губам и начинала играть, шевеля пальцами, как настоящий музыкант. У дверей кабинета гостей встречали механические слуги, кланяясь. Дом был полон механических животных: хлопал крыльями петух, лаяла собака, выгибала спину и мяукала кошка, ползала и шипела змея. В 1893 г. был построен андроид, который двигался со скоростью 14км/ч за счет паровой машины, спрятанной в корпусе, а дымовая труба была замаскирована под сигару. На всех выставках технического творчества в 60-70 годах XX в. обязательно демонстрировались роботы, которые здоровались с посетителями, двигались по выставке, выполняли несложные движения. В устройстве роботов использовались электродвигатели, магнитофоны, различные датчики, гидравлические усилители и другие современные приборы и механизмы. Постепенно от роботов-игрушек перешли к созданию роботов-тружеников, которые способны заменить человека на тяжелых монотонных работах у грохочущих прессов, огнедышащих печей, на запыленных складах цемента. Промышленный робот, согласно определению, данному на XI Международном симпозиуме в Токио, представляет собой многофункциональный манипулятор (от лат. maniputas – пригорошня, горсть; manys – рука), с возможность многократного программирования, предназначенный для перемещения и обработки по программам материалов, деталей, инструментов, или специальных узлов с целью выполнения различных задач. Промышленные роботы имеют «руки», обладающие несколькими степенями свободы, захватывающие устройства или специальные транспортирующие приспособления. Они несут функции, аналогичные функциям человеческих рук, и могут совершать два или более движений, таких, как поворот, выдвижение, вертикальное или горизонтальное перемещение, качание и др., для выполнения операций, связанных с пространственными перемещениями зажатых или удерживаемых деталей. Роботы действуют по программе, записанной на специальном носителе информации без вмешательства человека. Их можно быстро переналаживать на изготовление новой продукции, поменяв лишь программу, хранящуюся в памяти робота. Это значительно повышает выработку и снижает расходы сырья, материалов и др. Первоначально роботы стали применять в автомобильной промышленности, выполняя сравнительно простые технологические операции по металлообработке, сварке и окраске машин. В нашей стране промышленные роботы стали применяться с 1971 г., а с 1972 г. началось их серийное производство. Р  оботы первого поколения (рис.8.1а) внешне не похожи на человека. Только их манипулятор напоминает человеческую руку, а захват – ее кисть. а) б  ) Рис. 8.1.Промышленные роботы: а – робот первого поколения; б – «Луноход 1» На Петродворцовом часовом заводе роботы производят сборку механизма часов. Многорукий робот, весящий всего 15кг, выполняет многие работы по ремонту судов: очистку, шлифование, окраску, притирку и др. Роботы-манипуляторы с дистанционным управлением широко используются для работы в условиях относительной недоступности, например, крупный самоходный аппарат «Луноход 1» (рис.8.1б), а также в опасных и вредных для человека условиях, например, в атомной промышленности для работы с радиоактивными веществами. Подводные роботы-манипуляторы захватывают образцы породы со дна моря и управляют работой подводной буровой установки. В конце 60х гг. появились роботы 2 поколения, которые имеют «органы чувств» – разнообразные датчику, собирающие информацию о предметах окружающего мира, их свойствах и взаимодействии: на основе этих данных формируется модель и принимается решение о последовательности действий, которые реализуются исполнительными механизмами. Их манипуляторы-роботы снабжены датчиками, регистрирующими цвет, размер и т.д. Роботы 3-го поколения наделены свойством анализировать возникшие ситуации, принимать решения, решать задачи, обучаться. Они начали разрабатываться в 1975 г. 8.9.Космические полетыНачалом космической эры является день 4 октября 1957 г., когда в СССР был произведен запуск первого в мире искусственного спутника Земли. Спутник представлял собой алюминиевую сферу диаметром 58см и массой 83,6кг с четырьмя штыревыми антеннами длиной 2,4-2,9м. В герметичном корпусе спутника размещалась аппаратура и источники питания. С помощью спутника была впервые измерена плотность верхних слоев атмосферы, получены данные о распространении радиосигналов в ионосфере, отработаны вопросы выведения на орбиту, тепловой режим и др. 3 ноября 1957 г. в СССР был запущен второй спутник Земли с собакой Лайкой на борту, находящейся в отдельной герметичной кабине. Поведение собаки в невесомости регистрировалась с помощью специальной телеметрической системы. На спутнике были расположены научные приборы для исследования излучения Солнца и космических лучей. Первый американский спутник Земли «Эксплорер-1» был выведен на орбиту 31 января 1958 г. Спутник имел длину 1м и диаметр 15,2см, массу 4,8кг. С помощью этого спутника были открыты окружающие Землю радиационные пояса. 2 января 1959 г. на орбиту спутника Солнца запущен в СССР аппарат «Луна-1», массой 361,3кг, которая пролетела на расстоянии 5500км от Луны. Первый в мире полет на другое небесное тело совершила «Луна-2», запущенная 12 сентября 1959 г. Приборы, размещенные в 390-килограммовой сфере показали, что Луна не имеет магнитного поля и радиазионного пояса. С помощью автоматической межпланетной станции «Луна-3», запущенной 4 октября 1959 г. была сфотографирована обратная сторона Луны невидимая с Земли. Первый в мире полет человека в космическое пространство состоялся 12 апреля 1961 г. в 9ч. 07мин. по московскому времени. С космодрома Байконур в Казахстане стартовала межконтинентальная баллистическая ракета Р-7, в носовом отсеке которой размещался пилотируемый космический корабль «Восток» с майором ВВС Юрием Алексеевич Гагариным на борту. Космический корабль совершил один виток вокруг Земли за 89мин. На 108 минуте после запуска спускаемый аппарат в виде сферы диаметром 2,3м приземлился в районе деревни Смеловки Саратовской области. Управление кораблем осуществлялось автоматически и космонавтом. 5 мая 1961 г. первым американским космонавтом стал капитан 3-го ранга Алан Шелард. На космическом корабле «Меркурий-3», запущенным с мыса Канаверин с помощью баллистической ракеты, «Редстоун» он поднялся над землей на 186км и провел в полете 15мин. 22сек. До посадки в Атлантическом океане. Но «Меркурий-3» не достиг околоземной орбиты. Космонавтом США достигшем околоземной орбиты стал подполковник ВМФ Джон Гленнон, совершивший полет на корабле «Меркурий-6» 20 февраля 1962 г. Гленн совершил 3 витка вокруг Земли до успешной посадки, продолжительность полета 2 часа 55 минут. Первый выход человека в открытый космос совершил советским космонавтом Павлом Архиповичем Леоновым, совершившим полет на космическом корабле «Восход» 18 марта 1965 года вместе с командиром корабля полковником Павлом Ивановичем Беляевым. Космонавт с автономной системой жизнеобеспечения находился вне кабины космического корабля в течение 20 минут, временами отдаляясь от корабля на расстояние до 5 метров. Во время выхода он был соединен с кораблем только телефонным и телеметрическим кабелями. 3 июня 1965 г. выход в открытый космос совершил американский космонавт Эдвард Уайт, совершивший космический полет вместе с Джеймсом Макдивиттом. Уайт провел вне кабины 21 минуту, проверяя возможности маневра в космосе с помощью ручного реактивного пистолета на сжатом газе. В июле 1964 г. в США произведен запуск на Луну аппарата «Рейджер-7», который передал на Землю более 4300 высококачественных телевизионных изображений Луны, полученных перед контактом с поверхностью. В феврале 1966 г. в СССР произошел запуск автоматической межпланетной станции «Луна-9», впервые совершившей мягкую посадку на Луну. После запуска автоматической межпланетной станции «Луна-17» и успешной посадки с посадочной ступени был спущен аппарат «Луноход-1» (рис.8.10). В течение 10 минут работы «Луноход-1», направляемый с Земли по радио, прошел по лунной поверхности более 10,5км. В 1967 г. успешный полет совершила советская станция «Венера-4». С помощью аппарата, спущенного на поверхность Венеры, установлено, что температура планеты составляет 4750С, а давление 15 атмосфер, атмосфера полностью состоит из углекислого газа. Первой советской автоматической межпланетной станцией, совершившей посадку на Марс, была «Марс-2». В составе грунта было обнаружено 15-20% кремния, 14% железа, кальций, алюминий, сера, титан, магний, цезий и калий. В составе воздуха обнаружили 95% углекислого газа, 2.7% азота и признаки наличия кислорода, аргона и водяного пара. В соответствии с программой «Аполлон» в период с 1969 по 1972 г. к Луне было направлено девять экспедиций, шесть из которых завершились высадкой 12 астронавтов на поверхность Луны от океана Бури на западе до хребта Тавр на востоке. Первые американские космонавты Нейл Армстронг и Эдвин Олдрин совершили посадку в лунной кабине «Орел» 20 июля 1969 г. в 20ч. 17мин. 43сек. по Гринвичу. Армстронг провел на Луне 2ч. 31мин. Космонавты сделали много снимков лунного ландшафта, собрали 22кг образцов лунного грунта. Первые астронавты «Аполлона-11» прошли пешком по Луне 100м, а астронавты последней экспедиции на «Аполлоне-17», высадившейся в декабре 1972 г., проехали на электромобиле 35км. На Луне не найдено никаких признаков жизни. 19 апреля 1971 г. на орбиту на ракетоносителе «Протон» была выведена первая в мире орбитальная космическая станция «Салют-1». Станция состояла из трех основных отсеков – переходного, рабочего и агрегатного, представляющими из себя цилиндры, диаметром 2,9м, 4,15м, 2,2м соответственно. На космической станции «Салют-1» отработал один экипаж в составе Г. Добровольских, В. Пициева и В. Вилкова, погибший при возращении на Землю. Всего успешно отработали семь станций серии «Салют». В феврале 1981 г. в СССР была выведена в космос орбитальная станция нового поколения «Мир». Станция «Мир» служила связующим звеном, объединившим различные агрегаты в одно целое. Они выполняли роль центра, откуда экипаж управлял всем орбитальным комплексом. Исчерпав свой ресурс и резервы финансирования, станция «Мир» затоплена в 2001 году. В настоящее время функционируют первые блоки новой российско-американской станции «Альфа». Работы на орбите по ее созданию должны закончиться в 2004 году. 8.10. Развитие ядерной физикиЯркой страницей в развитии и техники и технологии является открытие и использование ядерной энергии. В 1895 году немецкий физик Вильгелм Конрад Рентген (1845-1923) изучал электрический ток в разряженных газах с помощью двух электронных трубок и индукционной катушки и открыл новый вид излучения, получивший в дальнейшем названия рентгеновского. Он разработал конструкцию ионной рентгеновской трубки и изучил свойства х- лучей. Их нельзя увидеть, но можно наблюдать, т.к. они действуют на платино-цилистый барий, вызывая его свечение. Лучи обладают большой проникающей способностью, проникая через плотный картон, оловянную бумагу, алюминий и т.д. Рентген сфотографировал деревянную шкатулку с латунными гирьками, руку своей жены, охотничье ружье и т.д. В 1901 году Рентген получил Нобелевскую премию за свое открытие. Французский физик Антуан Беккерель (1850-1908) изучал действие различных люминесцентных веществ, установил в 1896 году, что соли урана производят самопроизвольное излучение, ничего не имеющее общего с люминесцентным излучением. Это явление получило название естественной радиоактивности. Явлением радиоактивности заинтересовались супруги Мария Складовская-Кюри (1867-1934) и Пьер Кюри (1859-1905). Путем многократного химического растворения и выпариывания растворов, они изучали радиоактивность полученных веществ с помощью ионизирующего действия на заряженный электроскоп. Для повышения чувствительности стали применять компенсационный метод, основанный на пьезоэлектрических свойствах кварца. В результате этого была измерена интенсивность излучения различных минералов, солей и металлического урана. Установлено, что радиоактивностью обладают минералы тория, не содержащие уран. Уран открыт в 1789 году немецким химиком М.Г. Клепротом и назвали в честь планеты Уран, в древнегреческой мифологии бог неба, супруг Геи (Земли), отец титанов и сторуких исполинов. Природный уран состоит из смеси трех изотопов 238U-99,27% с периодом полураспада Т1/2=4,51109 лет, 235U-0,7024% (Т1/2=7,13108 лет) и 234U=0,0057% (Т1/2=2,46105 лет). Атомный номер урана равен 92, атомная масса – 238,029. Уран является основным ядерным топливом. Торий открыт в 1828 году шведским химиком И.Я.Берцелиусом (1779-1848) и назван по имени бога грома, в скандинавской мифологии – Тора. Природный торий практически состоит из изотопов 232Th с периодом полураспада Т1/2=1,391010 лет и ничтожного количества (1,3710-2%) короткоживущих изотопов 234Th, 231Th и 227Th. Атомный номер тория 90, атомная масса 232,038. Торий является сырьем для получения ядерного топлива в специальных реакторах. При измерении интенсивности излучения урановой смоляной руды оказалось, что она в четыре раза выше, чем у урана. Следовательно, в этой руде содержится неизвестный элемент, обладающий высокой активностью. После напряженной работы в тяжелых условиях в 1898 году получен полоний, названный по имени родной страны Марии, а в декабре – радий (лат. radias – луч). В 1910 году М. Кюри и А. Дебьюери получили радий в свободном состоянии в виде металла серебристо-белого цвета. В 1903 году Беккерель, А.Кюри и М.Складовская-Кюри получили Нобелевскую премию за открытие радиоактивности и исследование явлений радиоактивности, а в 1911 году М. Складовская-Кюри получила Нобелевскую премию по химии за получение радия в металлическом состоянии. Полоний в свободном состоянии представляет мягкий серебристо-белый металл, плотностью 9,3103кг/м3 с tплав=11620С. Атомный номер полония – 84. Он имеет 25 радиоактивных изотопов с массовыми числами от 194 до 218. Наиболее устойчивым является радиоактивный 210Ро с перодом полураспада Т1/2=138cут. Этот изотоп используется для получения нейтронов, в атомных электрических батарейках с длительным сроком службы, устанавливаемых на спутниках “Космос-84”, “Космос-89” и др. Он является компонентом естественных радиоактивных выпадений и накапливается в растениях, воде, пище, в различных организмах. Радий присутствует во всех урановых минералах, причем на 3 тонны урана приходится 1 грамм радия. Радий - серебристо-белый блестящий металл, быстро тускнеющий на воздухе. Плотность 5,5103кг/м3, температура плавления 11400С. Атомный номер 31 с изотопами, имеющими массовые числа 213, 215, 219-230. Он нашел применение в медицине и технике для приготовления светящихся составов и т.д. Вреден в больших количествах для человека, вызывает остеопороз, самопроизвольные переломы, опухоли. Открытие радия привлекло ученых к изучению явления радиоактивности, теории строения атома и ядерной физики: Э. Резерфорд (1871-1937), А. Энштейн (1879-1955), Х. Гефер (1882-1945), Ф. Содди (1877-1956), Ч. Вильсон (1869-1952), К. Фалис (1887-1975), У. Крукс (1832-1919), Г. Мозли (1887-1915), Н. Бор (1865-1962), Ч. Чедвил (1891-1974), Д. Иванов (1904-....), В. Гейзенберг (1901-1976) и др. В 1938 г. Лизе Мейтнер (1878-1988), Отто Ган (1876-1968) совместно с сотрудниками Фрицем Штриссманом (1902-1980) открыли деление ядер урана в результате бомбардировки нейтронами на два более легких ядра: радиоактивно ядро бария с числом ядерных зарядов 56 и ядро инертных газов с числом зарядов 56. При сложении они давали число 92, равное ядерному заряду урана. Это открыло новую эру в истории человечества, положило дорогу к покорению энергии атомного ядра. Л. Майтнер и О. Фриш (1904-1979) в 1938 году определили количество энергии, которая высвобождается при расщеплении урана: оно в миллионы раз больше, чем энергии выделяемые при превращении таких же количествах углерода в углекислый газ в процессе горения. При этом было установлено, что процесс расщепления носит лавинообразный характер в виде цепной реакции. В результате эти формулы Е=mc2 приобрели практико-технических значения. 8.11. Создание атомной бомбы и ядерной энергетикиГруппе ученых Колумбийского университета под руководством Э. Ферми (1901-1954) при помощи военного ведомства США были отпущены нужные средства, организована доставка урановых руд и графита, выделена металлургическая лаборатория Мичиганского университета в Чикаго. Работы были засекречены. 2 декабря 1942 года был запущен первый атомный реактор, который проработал 28 минут и затем был остановлен. Наряду со строительством реактора был разработан манхеттенский проект по созданию атомной бомбы. Руководитель проекта генерал Лесли Гросс. К работе был привлечен Роберт Оппенгеймер (1904-1987), который возглавлял Лос-Аламоскую научную лабораторию в штате Нью-Мексико. Исследования с привлечением ведущих ученых продвигались очень быстро. Разработана конструкция бомбы, способы быстрого соединения урановых полушарий, изготовлены сотни устройств для проведения сложных измерений, испытаны механизмы действия бомбы. К маю 1945 года были изготовлены и испытаны три атомные бомбы: - атомная бомба “Малыш” (рис.8.2а); - атомная бомба “Толстяк” (рис.8.2б); - пробная атомная бомба. 1   6 июля был произведен взрыв пробной бомбы на базе Аламогордо на юге-востоке штата Нью-Мексико. а) б) Рис. 8.2. Первые атомные бомбы, изготовленные в США: а – «Малыш»; б – «Толстяк» Генерал Гросс рассказывал об этом: “Сначала вспыхнул свет ни с чем не сравнимой яркости. Мы все перевернулись и через темные очки увидели огненный шар. Приблизительно через 40с. пришли взрывные волны, за которыми последовал звук, но ни то, ни другое не показалась нам поразительным – так потрясла нас необычная интенсивность света. Образовалось большое плотное облако, которое, клубясь, подымалось вверх с огромной силой и примерено в 5 минут достигло субстратосферы. Вскоре после главного взрыва в облаке произошли два дополнительных взрыва меньшей силы, не сопровождаемые световыми эффектами. Облако поднялось на большую высоту сначала в виде шара, затем оно приняло форму гриба, после этого превратились в длинный, похожий на трубу столб и наконец было развеяно в нескольких направлениях переменными ветрами на различных высотах. 6 августа 1945 года утром на центр города Хиросимы были сброшена атомная бомба “Малыш” с урановым зарядом с бомбордировщика “Эноли Гей”, подполковником Тиббетсом. В одно мгновение гопрод превратился в пылающие руины. Одной бомбой был уничтожен город с населением 400 тыс. человек. Результаты взрыва бомбы “малыш” - 78150 убитых; - 13983 пропавших без вести; - 9 428 тяжелораненных; - 27997 легкораненных. Через пять дней на город Нагасаки были сброшены атомная бомба “Тостяк” с ядерным зарядом из плутония. В СССР первый атомный реактор был запущен в 1946 году под руководством И.В. Курчатова (1902-1960), а в 1948г. была создана первая атомная бомба, и в 1953 году - первая в мире водородная бомба. 27 июня 1954 году в СССР в городе Обнинске вошла в эксплуатацию первая атомная электростанция, мощностью 5000кВт. Вода, отведенная от реактора, превращается в пар, приводя в движение турбины генератора, который вырабатывает электрический ток. В 1961 году спущен со стапелей атомный ледокол “Ленин”, затем “Арктика”, “Сибирь”. Первый арктический переход совершил в 1958 году американский атомный ледокол “Наутилус”. 8.12. Другие нововведения в эпоху НТРВ 70 годы появились автоматические лини в машиностроении и других отраслях, появилась радиолокация. В 50х гг.: полупроводниковые приборы – транзисторы и полупроводниковая аппаратура; полимерные материалы, пластмассы, волокна; оптические квантовые генераторы; непрерывное литье в сталеплавильном производстве; производство стали прямым обогащением руды; электрофизические и электрохимические методы обработки материалов; порошковая металлургия; ультразвуковая диагностика; станки с ЧПУ; электрофотография (ксерокопирование). В 60х гг.: цифровые ЭВМ на полупроводниковых приборах; голографическое пространственное изображение. В 70х гг.: автоматизированное проектирование; мембранная технология; композитные материалы; волоконная оптика; роторно-конвейерные линии обработки материалов; гибкое автоматизированное производство; магнитно-гидродинамические генераторы; высокотемпературные сверхпроводящие материалы и др. В машиностроении увеличился парк станков, значительно увеличились скорости резания металлов, прокатки, ковки, термообработки. Все большее значение стали иметь новые способы литья и штамповки. |