Экономия и еще раз экономия

Не только проблема надежности тревожит инженеров. Не менее заботят их и вопросы экономии. Собственно, и в проблеме надежности огромную роль играет экономическая сторона. И мы уже на примере авиации знаем, сколько растрачивается понапрасну человеческого труда, когда машины недостаточно надежны.

Но не только надежностью определяется экономия.

Если вам приходилось бывать на гидроэлектростанциях, на металлургических заводах, вы, вероятно, не раз были поражены огромностью плотины, домны, конвертора, прокатного стана, турбины... Глядя на плотины, шлюзы, океанские корабли, понимаешь, что размеры их не случайны, что они целиком оправданы назначением этих гигантских сооружений и машин.

Среди вас есть и те, кому удавалось воочию или хотя бы в кино увидеть электронные вычислительные машины. Некоторые из этих машин занимают много места, для них даже отводят специальные помещения. Большие размеры вычислительных машин не продиктованы их сущностью, просто их еще не всегда умеют делать маленькими. Но недалеко то время, когда электронные вычислительные машины с теми же математическими способностями станут гораздо меньше - величиной со стол или даже небольшой чемодан. Такие машины, конечно, пригодятся геологам, морякам, полярникам, их смогут устанавливать на самолетах и космических кораблях.

Мы знаем, что в самолете крайне мало свободного места, здесь на счету каждый кубический сантиметр, каждый грамм. Ведь на перевозку одного только грамма на протяжении всего срока службы самолета расходуется очень много горючего, а каждый лишний кубический сантиметр, занимаемый аппаратурой, уменьшает и без того небольшой полезный объем самолета. Не менее строго относятся к экономии веса и объема и строители подводных лодок. Но особенно придирчивы конструкторы аппаратуры для ракет, спутников и космических кораблей. Здесь каждый лишний грамм оборачивается огромным увеличением стартового веса ракеты.

Экономия места, экономия веса. Это невероятно трудные задачи. А их правильное решение обычно усложняется еще и тем, что уменьшение размеров и веса любых технических устройств, как правило, приводит к снижению надежности, прочности и к удорожанию. В этом заключается одно из вечных противоречий техники. И до чего трудно находить такие решения, которые позволяли бы уменьшать вес и размеры и в то же время повышали бы надежность, качество работы и удешевляли бы изделие. Как ни трудно решать одновременно эти противоречащие друг другу задачи, инженеры не отступают. Борьба за экономию веса и объема, особенно в электротехнике и радиоэлектронике, ведется уже много лет, и в ней одержаны крупные победы. За последние годы удалось значительно уменьшить многие устройства, начиная с радиолокаторов, электронных вычислительных машин и приборов управления ракетами, кончая переносными радиоприемниками. Уменьшение размеров и веса важно не только с точки зрения экономики. Оказывается, чем меньше размеры аппаратуры, тем больше открывается новых, подчас совершенно неожиданных областей ее применения.

Так, уменьшение радиопередатчиков помогло медикам и биологам. Был создан специальный прибор для исследования кишечника, названный "радиопилюля". Радиопилюля представляет собой капсулу величиной с обычную пилюлю, внутри которой помещен крохотный радиопередатчик, миниатюрная электрическая батарейка - внучатая племянница вольтова столба - и датчики. Орнитологи - зоологи, изучающие птиц, - тоже воспользовались достижениями радиоэлектроники; они смогли укреплять на птицах миниатюрные, но достаточно мощные радиопередатчики и следить за полетами голубей и некоторых других птиц.

Итак, экономия места, экономия веса. В одних случаях такая экономия позволяет применить новое устройство в тех областях, где раньше это было попросту невозможным, в других - ввести какие-то полезные устройства, которым раньше не хватало места, в третьих - сберечь энергию, в четвертых - уменьшить вес и размеры системы в целом. И всегда снижение размеров и веса позволяет уменьшить расход материалов, требующихся для изготовления машин и устройств, и подчас очень дорогих.

Наибольших успехов на этом пути добилась радиоэлектроника; вес и размеры радиоэлектронных устройств за последние десять лет удалось уменьшить не на проценты, как во многих других областях, а во много, иногда в сотни раз.

Совсем недавно, еще в сороковые годы, основными деталями всех без исключения радиоэлектронных устройств были радиолампы, сопротивления, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы. Примерно такие, какие и сегодня можно увидеть в большинстве телевизоров и ламповых радиоприемников. Сопротивлениями, трансформаторами, конденсаторами широко пользуется и электротехника, правда совсем иными по конструкции. Но тем, что делало электронику столь могущественной, что отличало ее от электротехники, была электронная лампа, единственный в своем роде и, казалось, ничем не заменимый чудеснейший прибор, перед которым меркнут тысячи ламп Аладдина. И недаром вся новая область техники была названа в честь этого волшебного прибора электроникой.

Размеры электронных ламп, конденсаторов, сопротивлений, катушек до начала пятидесятых годов определялись отчасти их электрическими свойствами, отчасти - возможностями материалов, из которых их изготовляли, но, пожалуй, глазным образом размерами самого человека, величиной его рук, возможностями зрения и осязания. Ибо изготовление этих деталей и сборка аппаратуры из них производились вручную,

Приборы получались громоздкими, тяжелыми, и, что не менее важно, для их работы требовалось много электрической энергии. Но хотя сегодня эти приборы показались бы несовершенными, они единственные открыли небывалые возможности для науки и техники. С их помощью экспериментаторы смогли исследовать явления, которые никакими другими известными способами изучать невозможно. В то время выбор деталей и ламп был невелик, и поэтому научная, радиолокационная, связная аппаратура, вычислительные машины, телевизоры, автоматические регуляторы работы ядерных реакторов и множество других приборов изготовлялись в основном из одинаковых деталей.

Но время не ждало. Новые задачи все более усложнялись. Усложнялась и аппаратура, хотя ее по-прежнему приходилось собирать все из тех же основных деталей. Размеры приборов росли, непомерно увеличивался их вес, все больше электроэнергии требовалось для работы. Надежность падала. Трудно сказать, что было бы дальше. К счастью, в начале пятидесятых годов были созданы новые устройства: полупроводниковые диоды и транзисторы - долговечные миниатюрные собратья электронных ламп. Они были настолько меньше своих предшественниц и потребляли так мало электроэнергии, что стало попросту смешно использовать совместно с ними прежние громоздкие конденсаторы, сопротивления и другие детали. Сразу стало ясно, что простая замена радиоламп крохотными транзисторами не даст большой экономии веса и объема. Экономия станет значительной, только когда все детали сделают соответствующими размерам и мощности транзисторов. И такие детали вскоре были созданы.

Это было лишь началом. В наши дни появляется столько новых деталей, выполненных из полупроводниковых и магнитных материалов, что инженеры едва успевают разобраться в одних, как им на смену приходят новые.

Время в мире электроники еще более убыстрило свой бег.

Экономия и еще раз экономия

Казалось, еще вчера в кассетницах монтажниц лежали разноцветные цилиндрики сопротивлений, блестящие цилиндрики и разно цветные пуговички конденсаторов, а над столами висели катушки с разноцветными монтажными проводами.

Монтажницы ловко брали пинцетами из кассетниц нужные детали, укрепляли их в схеме и припаивали проволочные выводы. Сегодня паяльник, кусачки, пинцет уходят на покой. Они слишком несовершенны, слишком громоздки и грубы для новых крохотных деталей. Да и сам метод сборки электронных схем из отдельных деталей начинает выходить из употребления. Все чаще вместо отдельных деталей и транзисторов начинают изготовлять целые схемы из малюсеньких кусочков полупроводниковых кристаллов. На рабочих местах бывших монтажниц появились микроскопы.

И все-таки, несмотря на огромные успехи в деле создания новейших деталей и узлов электронных устройств, главная битва еще впереди. И в ней решающая роль будет принадлежать бионике. Вот несколько примеров того, насколько живая природа опередила технику в деле экономии размеров и веса.

Как вы помните, основным элементом нервной системы является нервная клетка - нейрон. Рабочие характеристики нейрона очень напоминают характеристики триггера, одного из основных радиоэлектронных элементов вычислительных машин и других электронных устройств. Триггер представляет собой электронную схему из нескольких сопротивлений и двух ламп или транзисторов. Подобно тому как нейронные цепи образуют сложные сочетания рефлекторных дуг нервной системы, триггерные цепи могут образовывать сложные сочетания "рефлекторных дуг" автоматов.

Так, в радиолокационном автомате, предназначенном для наведения боевой ракеты на самолет и разработанном в конце прошлой войны в Германии, содержалось, не говоря уже о большом количестве механических деталей и источнике энергии, множество радиоламп, реле и других элементов автоматики. Такой автомат весил десятки килограммов.

А вот другой "автомат", на сей раз - живой. Он весит доли грамма и может выполнять множество сложнейших работ, строить соты, находить дорогу к цветущим растениям и обратно, указывать дорогу к добыче своим собратьям, выводить потомство, защищать и убирать свое жилище. Вы уже догадались, что это пчела. Ее тоже можно назвать автоматом, ибо она не действует разумно. В нервном центре пчелы насчитывается всего 900 нейронов (а у муравья и того меньше - 250!).

Если бы инженеры попытались создать автомат, умеющий делать все то же, что и пчела, то он оказался бы огромным, тяжелым и, разумеется, ненадежным. Но самым разительным примером преимущества живой природы над современной техникой является мозг человека. В нем нейронов полтора десятка миллиардов. Если бы инженеры задумали создать электронную модель мозга на современных деталях и современными конструктивными методами, размеры модели оказались бы гигантскими, а для ее работы понадобилась бы энергия от сравнительно мощной электростанции.

В уменьшении размеров электронных деталей огромная роль всегда будет принадлежать физике. Эта наука уже сегодня обещает значительно уменьшить размеры электронных устройств. Так, по некоторым предположениям, удастся создавать схемы, в которых плотность размещения элементов будет составлять 5 миллиардов в одном кубическом сантиметре. Но только бионика сможет подсказать инженерам, по каким схемам соединять эти элементы, чтобы, используя всего лишь несколько сотен, можно было строить автоматы, не уступающие пчеле рабочими качествами, надежностью и экономичностью.