Зарубежный опыт

Строительные работы по созданию большой трубы для аэродинамических испытаний начались в 1940 г. под руководством профессора Штутгартского технического университета Вунибальда Камма (1893– 1966). В последующие годы аэродинамическая труба (рис. 3.8) совершенствовалась как инструмент научно-исследовательских работ, вводились новые эксплуатационные режимы.

Рис. 3.8. Испытание макета автомобиля в трубе Gottingen-type: исследователь распыляет порошок для визуализации воздушного потока, огибающего исследуемый макет автомобиля

В настоящее время аэродинамическая труба используется в самых разных областях для проведения научно-исследовательских работ: моделирование урагана, оценка снаряжения для бобслея и конькобежцев и др. Инновационные исследования аэродинамических испытаний крыши Олимпийского стадиона в Мюнхене также проводилось в данной установке.

Если макет чаще применяется для экспериментов по воздействию внешней среды, то модель создают для имитации внутренних взаимодействий элементов изделия.

Модель – изделие, воспроизводящее или имитирующее конкретные свойства заданного изделия и изготовленное для проверки принципа его действия и определения характеристик. (ГОСТ 15.101-98).

Модель воспроизводит отдельные свойства изучаемого инновационного решения: соединения деталей, взаимодействия частей механизмов и машин, приводы двигателей, фрагменты интегральных схем, элементы электрических взаимодействий и множество других вариантов. Модель, в отличие от макета, воспроизводит не статичные формы, а динамическое взаимодействие элементов системы (рис. 3.9, слева).

Разработка 3D-принтера, уже сама по себе являющаяся радикальной инновацией (см. рис. 3.9, справа), создала уникальные возможности для моделирования.

Рис. З.9. Модель двигателя (слева), изготовленная на ЗВ-принтере (справа) DESIGNmate Сх 3D

Информационные технологии дают неограниченные возможности проектирования и моделирования трехмерных объектов (рис. 3.10).

Программное обеспечение позволяет начертить объект как обычный чертеж, а далее преобразовать его трехмерную проекцию. Трехмерные изображения, получившие название 3D, позволяют дизайнеру или инженеру полнее ощутить пропорции изделия, наглядно увидеть его компоновку и объемные решения. Программы позволяют вращать изделие и рассматривать его с разных ракурсов, менять освещенность (расположение и силу источников света), накладывать его на другие объекты и помещать в различные среды.

Рис. 3.10. Моделирование объектов в программном комплексе 3D max

Уже само по себе компьютерное 3D-моделирование является мощным научно-исследовательским инструментом, обладающим широким диапазоном условий и границ эксперимента.

Создание 3D-принтера основывалось на наличии компьютерных программ 3D-моделирования. Принтер получает информацию об объекте в трехмерной координатной сетке. Далее, используя пластические массы, принтер изготавливает изделие. Двигатель, показанный на рис. 3.9, был изготовлен из 12 деталей, в собранном виде представляющих собой модель, свойства и характеристики которой нас интересуют. Современные информационные технологии (программы трехмерного проектирования) и 3D-принтеры, таким образом, позволяют создать виртуальную модель и затем дать ей материальную форму, последовательно изучая и уточняя свойства проектируемого инновационного продукта.

Переход от научно-исследовательских изысканий к промышленному тиражированию инновации всегда лежит через экспериментальный образец.

Экспериментальный (опытный) образец – образец продукции, обладающий основными признаками намечаемой к разработке продукции, изготовляемый с целью проверки предполагаемых решений и уточнения отдельных характеристик для использования при разработке этой продукции (ГОСТ 15.101–98).

Экспериментальный образец – это готовое изделие (часто оно даже лучше, чем серийное), которое доказывает инвестору состоятельность идеи инновационной продукции или процесса. Конечно, экспериментальный образец изготавливается не только для инвестора, но и для проведения стендовых испытаний. Оцениваются надежность, прочность, долговечность и другие технические характеристики. Например, существуют стенды, на которых автомобиль за 10 ч пробегает 10 000 км; стенды, которые нагружают конструкции моста весом нескольких грузовиков; установки, воспроизводящие агрессивные внешние среды и др.

Создание экспериментального образца, его последующие испытания позволяют выявить проблемы инновационного решения, которые нельзя обнаружить в макетировании и моделировании. На рис. 3.11 представлен экспериментальный образец двуствольного револьвера, выпущенного во Франции в XIX в. Несмотря на оригинальность изобретения (14 зарядов, последовательность выстрелов, повышенная убойная сила), экспериментальный образец не пошел в серийное производство – выявилось слишком много проблем в его эксплуатации. Этот револьвер так и остался изобретательским казусом, впрочем, как и множество других оригинальных идей, воплощенных только в экспериментальных образцах.

Рис. 3.11. Экспериментальный образец двуствольного револьвера

Несмотря на современные возможности компьютерного моделирования и макетирования, воспроизвести реальные факторы функционирования изделия в реальной среде невозможно. Обязательно всплывут неучтенные обстоятельства и ограничения, которые не позволят изделию работать в заданном изобретателем режиме. Испытания экспериментального образца – это самый длительный этап НИР, только после него создаются финальные чертежи для производственного тиражирования.

Рис. 3.12. Экспериментальный образец автомобиля компании BMW, работающий на водородном топливе

Например, созданный в рамках программы BMW CleanEnergy экспериментальный образец инновационного автомобиля компании BMW 7-й серии, работающий на водородном топливе, уже пять лет находится на испытаниях (рис. 3.12). Несмотря на то что базовая конструкция автомобиля – седьмая серия остается без изменений (кузов, шасси, трансмиссия), меняется только двигатель и система подачи топлива, передать изделие в серию (массовое производство) пока не удается. Водородные технологии являются настолько радикально новым, инновационным решением, что создание экспериментальных образцов и их тестирование выявляют все новые проблемы. Впрочем, это не мешает компании BMW демонстрировать автомобиль на автосалонах и выставках, представляя его как концепт-кар. Этим демонстрируется инновационная позиция BMW, причастность к высоким технологиям (водородная энергетика), создается положительный имидж компании.

Резюме

Итак, этап научно-исследовательских работ рассматривается как процесс превращения инновационной идеи в чертежи, макеты, модели. Главным действующим лицом на этом этапе является ученый-изобретатель. Результаты НИР должны убедить инвестора в состоятельности инновации, для этого создается полноразмерный действующий экспериментальный образец продукта или технологический участок. Результаты НИР в виде конструкторской документации передаются промышленному предприятию для массового производственного тиражирования.