ДЭ, том 5

Дорогие друзья, юные любители техники, читатели Детской энциклопедии!

Вы получили книгу, которая познакомит вас, может быть, впервые с вашей будущей профессией. Вы узнаете, как работают энергетики, машиностроители, механики, токари, бетонщики... Но прежде чем вы начнете читать, мне хочется сказать вам несколько напутственных слов. В жизни я видел много такого, чего вы не увидите никогда. Может быть, вам трудно будет понять меня. Но все-таки постарайтесь и понять, и запомнить мои слова.

Вы знаете, какой великолепный город наша столица Москва. Проспекты, огромные здания, каменные набережные, высокие мосты, потоки автомашин, красивейшее в мире метро. Но я помню Москву с маковками церквушек, помню цоканье лошадиных подков на тряском булыжнике, лотки с зеленью в Охотном ряду. Мои современники, товарищи, сверстники превратили купеческую Москву в социалистическую. Вы видите результат, а я вспоминаю труд инженеров, каменщиков, землекопов...

Ведь я жил еще в дореволюционной, отсталой России. Я видел бурлаков на Волге, помню крестьян в лаптях, гнувших спину над допотопной сохой, помню унылое брюзжание некоторых интеллигентов: «Куда уж, где уж нам до заграницы! Мы —лапотники, мы — самоварники. Вот в Париже — культура, вот в Берлине — техника!»

И когда в первые суровые годы существования Советской власти был поставлен вопрос: «Что делать в области экономики?» — ответ был найден не сразу. Много раз великий Ленин совещался с инженерами и экономистами. Мы все искали тот решающий рычаг, с помощью которого можно было бы быстро поднять советскую экономику.

Вспоминаю, как 26 декабря 1919 г. Владимир Ильич вызвал меня в Кремль. В этот вечер мы много говорили об электрификации. Я знал, что не было лучшего средства отвлечь Ильича от тяжелых забот, как рассказать ему о последних завоеваниях науки и техники. А интересовали его, конечно, прежде всего те достижения, которые могли найти приложение у нас в стране.

В то время я управлял подмосковной электростанцией «Электропередача» — первой в нашей стране и даже первой в мире электростанцией на торфе. В те тяжелые годы, когда центральные губернии были отрезаны от нефтяного Баку и угольного Дон-

басса, когда Ленин должен был лично следить за каждым вагоном топлива, поступающим в Москву, скромная станция «Электропередача» играла важную роль в снабжении Москвы электричеством.

И вот я рассказал Владимиру Ильичу о возможностях использования подмосковного торфа. Торф мог бы стать базой для электрификации. Но чтобы получить достаточное количество торфа, нужно было усовершенствовать технику добычи: не горбом и лопатами, а машинами следовало его добывать.

В тот же день поздно вечером кремлевский курьер доставил мне на квартиру срочный пакет от товарища Ленина.

«Меня очень заинтересовало Ваше сообщение о торфе»,— писал Владимир Ильич. И затем он просил поскорее составить для печати статью о торфе, его запасах и значении для электрификации. Предлагался даже план статьи. Поручение Ленина было выполнено. Статья появилась в «Правде».

Вскоре по просьбе Ильича я написал и другую статью — об электрификации промышленности — и послал ему на просмотр. В этой статье доказывалось, что подъем промышленности тесно связан с электрификацией. С увлечением я нарисовал будущее электрификации молодой Советской республики. На другой день Ленин прислал мне такое письмо:

«Гл. МЛ (Глеб Максимилианович!— Ред.) Статью получил и прочел. Великолепно. Нужен ряд таких...»

Далее в письме Владимир Ильич указал, что нужно дополнить статью предложениями о плане электрификации России:

«Примерно: в 10 (5?) лет построим 20—30 (30—50?) станций, чтобы всю страну усеять центрами на 400 (или 200, если не осилим больше) верст радиуса; на торфе, на воде, на сланце, на угле, на нефти... Через 10 (20?) лет сделаем Россию «электрической»... Надо увлечь массу рабочих и сознательных крестьян великой программой на 10—20 лет.

Позвоните мне, пожалуйста, по телефону, получив это письмо, и мы поговорим».

Это замечательное письмо послужило основой для технической разработки Государственного плана электрификации России — ГОЭЛРО. От него ведет свою историю электрификация нашей страны.

Вспоминаю, как накануне VIII Всероссийского съезда Советов, на котором впервые был оглашен план ГОЭЛРО, я выступал в Колонном зале Дома союзов с предварительным докладом о плане электрификации.

Мраморный зал с роскошными люстрами был не топлен. Я стоял на трибуне в пальто, видел перед собой истощенных голодом людей. Сколько раздраженных, сколько враждебных выкриков слышал я по своему адресу:

«Страна погибает от голода и тифа! На улицах Москвы дохлые лошади! А тут инженер-практик рассуждает о гигантских стройках, о миллиардных вложениях, об электрической стране будущего! Как барон Мюнхгаузен, сам себя собирается вытащить из болота за волосы!»

И все же, несмотря ни на что, несмотря на интервенцию, гражданскую войну, блокаду, мы ленинский план осуществили. Построили Шатурскую электростанцию на торфе и Каширскую на подмосковном угле, а затем и Волховскую, и Днепровскую, и еще Волжскую им. В. И. Ленина — небывалую, невиданную, которая одна дает электроэнергии в несколько раз больше, чем все электростанции царской России.

Теперь строится еще более мощная — Братская гидростанция на Ангаре, самая мощная в мире, и много других тепловых и гидроэлектрических станций¹.

...Громадный путь прошла советская энергетика от подмосковных торфяных болот до сверхмощных тепловых турбин, до порогов Ангары, до атомных электростанций. И все это произошло на моей памяти, все сделано руками моих современников, сверстников, товарищей, знакомых. Многих я знал лично, помню их трудности, сомнения, неудачи, находки...

Интереснейшую жизнь прожил я, но ваша будет еще интереснее. При вас будет создана Единая энергетическая система. Она свяжет все электростанции страны в один узел, будет распределять потоки электричества по всей Европейской России, а затем Сибири и Средней Азии, позволит охватить централизованным энергоснабжением все города, промышленные и сельские районы нашей страны. При вас будут включены в сеть новые источники энергии — Солнце, подземное тепло, при вас вступят в строй многочисленные атомные станции. Вы сумеете преобразовать природу, смягчить зиму, управлять морскими и воздушными течениями. Вы будете создавать по своей воле чудесные плоды, цветы и растения, будете изучать и осваивать Луну, Марс, Венеру и другие планеты, уничтожите болезни, продлите жизнь вдвое, втрое... Даже трудно представить себе блистательные перспективы жизни, науки и техники в ближайшие полвека, трудно представить то, что вы сделаете своими руками. Ваши горизонты шире, но это потому, что мы — ваши прадеды, деды и отцы — расчистили дорогу для вас, прошли самый трудный и опасный участок пути.

Вы будете жить в коммунизме. Но это не значит — без труда! Глубоко ошибаются те пустоцветы, которые уповают на счастливый случай, вместо того чтобы работать по плану. Успех всегда пропорционален затраченному труду. Поистине справедливы слова, что гений — это на один процент вдохновение и на 99 процентов — труд и терпение.

Глубоко ошибаются и те белоручки, которые чуждаются физического труда, думают, что вся работа в будущем сведется к нажиманию кнопок. Ведь прежде чем нажимать кнопки, прежде чем управлять машиной, нужно задумать ее, сконструировать, изготовить детали, собрать и отрегулировать, проверить и тогда уже пустить в ход. Вы будете бетонировать, сваривать, пилить, сверлить, шлифовать, чертить, рассчитывать. Вам изрядно придется поработать и руками, и головой в своей жизни. Готовьте себя к сложному, многообразному труду. Учитесь, чтобы трудиться как следует, читайте книги, посвященные науке и технике! Будьте трудолюбивы, требовательны к себе и скромны...

Мне выпало в жизни великое счастье в течение тридцати лет встречаться с самым трудолюбивым, требовательным и скромным из великих людей, с величайшим гением человечества — Владимиром Ильичем Лениным. Образ его незабываем! Небольшого общения с Лениным было достаточно, чтобы почувствовать его особую бодрящую силу, энергию борца, страстного, находчивого и много знающего. Ильич был преисполнен самоотверженной любви ко всем «страждущим и обремененным». И особенно отличался он исключительной простотой.

Костюм Ленина всегда был прост, обычен и опрятен. Фразерства он не выносил, высоко ценил меткое, простое, всем понятное слово. В самые ответственные моменты

¹ Эта статья написана Глебом Максимилиановичем Кржижановским в 1958 г. Сейчас Братская ГЭС уже дает ток, строятся еще более мощные.

своей жизни он всегда был самим собой. Необыкновенный трудолюбец, Владимир Ильич обладал необычайной способностью к неустанной и непрестанной работе над собой, редким умением организовать свой рабочий день и часы досуга.

Вся жизнь Ленина, все черты его служат замечательным примером для подражания. Я не говорю вам: «Будьте, как Ленин!» Такие, как Ленин, рождаются один раз в эпоху. Но старайтесь подражать ему, будьте достойны звания пионера-ленинца и члена Ленинского комсомола.

Я живо помню, как в одном из своих выступлений Владимир Ильич сказал, что тому поколению, к которому принадлежит он сам и его сверстники, уже не удастся дожить до светлых и радостных дней коммунизма.

- А вот те малыши, которых я вижу на руках многих матерей,— вот эти счастливцы узнают подлинную суть коммунизма,— говорил он.

Малыши, о которых говорил Ильич,— это ваши отцы и матери. Мечта Ленина сбывается. Ваши родители войдут в коммунистическое общество на склоне жизни, вы — в цветущем возрасте. Им и вам, сегодняшним школьникам, предстоит величайшая задача — завершить строительство коммунизма.

Будьте достойны этой чести, готовьте сейчас ваши руки, головы и сердца! Учитесь, думайте, трудитесь, дерзайте!

Шагают по стране великаны, несут на плечах своих свет и силу. И реки им — не помеха, и горы — не преграда.

Больше автоматов — производительней я увлекательней труд людей, выше уровень их жизни. На снимке: один из цехов-автоматов Первого Государственного подшипникового завода.

Химия — это дешевые дома, дешевые машины, дешевая одежда. На снимке: цех органического синтеза химического комбината в Татарии.

Космический корабль типа «Восток» — в числе экспонатов Выставки достижений народного хозяйства СССР в Москве. На таких кораблях совершали свои полеты Ю. А. Гагарин, Г. С. Титов, А. Г. Николаев, П. Р. Попович, В. Н. Терешкова, В. Ф. Быковский

Эта фотография сделана непосредственно в космосе! Космонавт А. А. Леонов покинул борт корабля-спутника «Восход-2» и вышел в открытое космическое пространство

А это «спускаемая часть» корабля «Восток»; в иллюминатор видно катапультное кресло и скафандр космонавта.

ТЕХНИКА И КОММУНИЗМ

...В огромном светлом цехе тянется длинная череда машин-автоматов. Людей почти не видно, но работа идет полным ходом. Лента конвейера непрерывным потоком подает в цех стальные заготовки. Они попадают в «руки» машин и выходят на другом конце цеха преображенными в изделия — неотличимыми одно от другого, блистающими свежей краской. Друг за другом, словно торопясь, изделия бегут дальше в отделение упаковки и оттуда, готовые к любому путешествию, уходят на склад готовой продукции.

На всем этом пути к металлу не прикасаются человеческие руки.

— Какая высокая техника! — с уважением говорят люди, наблюдая, как трудятся здесь современные «умные» машины.

...Человек пришел на прием к врачу, чтобы обследовать свой желудок. Ему дают проглотить совсем маленький, величиной с горошину, радиопередатчик в пластмассовой оболочке, и этот «радиопередатчик» тут же начинает сообщать врачу о состоянии желудка.

— Какая добрая техника! — с изумлением говорит каждый, кто знакомится с этим достижением современной медицины.

...По Красной площади мимо стен древнего Московского Кремля строгими рядами идут части механизированных войск, плывут громадные остроносые ракеты.

— Какая грозная техника! — с восхищением говорим мы, наблюдая этот парад.

...В квартирах советских людей трудятся «механические помощники» — пылесосы, полотеры, стиральные машины, холодильники. А бытовые радиоэлектронные устройства — радио- и телевизионные приемники, магнитофоны!

Техника... Технический прогресс... С этими словами связана теперь вся наша жизнь. Нет такой области народного хозяйства, успехи которой не были бы тесно, неразрывно связаны с техникой, с ее совершенствованием. Вооруженный самыми разнообразными машинами и механизмами, техническими приборами и приспособлениями, человек стал в наши дни настоящим волшебником из сказки. Он видит и слышит на тысячи километров. Опускается на дно глубочайшего океана и улетает от Земли в космос. За девяносто минут совершает кругосветное путешествие. Он получает из воздуха удобрение и из древесных опилок — резиновые шланги и галоши. Он может увидеть, как растет трава и как летит пуля. Ему подчиняются силы воды и ветра, энергия электричества и энергия атомного ядра.

Могучая и разнообразная современная техника увеличивает силы человека, данные ему природой, в десятки и сотни раз. Что может сделать человек только своими руками? За весь день мускульной работы он не сделает того, что сможет сделать один киловатт-час электроэнергии. А киловатт-часа достаточно для того, чтобы добыть в шахте и доставить на-гора 75 кг угля или выдоить с помощью электродоильного аппарата более 40 коров.

Чтобы представить себе, насколько увеличивают силы человека некоторые машины, стоит вспомнить современные землеройные машины. Например, роторный экскаватор — детище машиностроителей Ново-Краматорского завода — за один час вынимает и отбрасывает в сторону 3000м³ грунта! Чтобы только отвезти такое количество грунта в отвал, требуется тысяча восьмитонных автомашин.

На просторах нашей Родины идет громадное строительство. Каждый день строители перемещают около 9 млн. кубометров грунта — 300 тыс. железнодорожных платформ. Без помощи могучей строительной техники — экскаваторов, бульдозеров, скреперов — мы не могли бы выполнить и двадцатой доли такого объема земляных работ.

Не только производство, но и быт людей, их привычки беспрерывно изменяет, обогащает та техника, которая становится достоянием общества. Вспомнив, как жили, например, ваши деды, нетрудно увидеть, насколько иной стала жизнь за 50—60 лет под влиянием огромного потока технических усовершенствований, заполнивших наш быт.

Постепенно совершенствуясь и разветвляясь, техника заняла теперь в нашей жизни особое место. Без нее уже просто невозможно промышленное и сельскохозяйственное производство. На многих современных заводах и фабриках используются очень высокие давления, сверхвысокая температура, применяются невиданные скорости, громадная энергия. Без техники тут никак не обойтись! Многие и многие изделия требуют при их изготовлении исключительно точных технических методов измерения и контроля. Производственный процесс любого современного комбината, огромного по своим размерам, обязательно требует технических средств связи. Техника — разнообразная, могучая — необходима теперь и на стройках, и в сельском хозяйстве; царством техники стал весь современный транспорт.

Всюду техника! И она на наших глазах непрерывно совершенствуется, множится, становится все более могущественной.

Оценивая великое незаменимое значение технических устройств в жизни человека, в нашем движении вперед, к лучшей жизни, мы не можем забывать о главном — о том, что технический прогресс поднимает все выше производительность нашего общественного труда, а это очень важно для строительства коммунистического общества. «Повышение производительности труда,— писал еще в 1919 г. Владимир Ильич Ленин,— составляет одну из коренных задач, ибо без этого окончательный переход к коммунизму невозможен».

Коммунистическая партия нашей Родины, весь наш народ создают на земле прекрасное будущее человечества, строят мир, в котором будет действовать великий принцип коммунизма «от каждого — по способностям, каждому — по потребностям». Чтобы построить такой мир — мир изобилия для всех, мы должны иметь производство, которое, используя новейшие достижения науки и техники, дает самую высокую производительность труда.

Путь в коммунизм — это путь постоянного совершенствования техники, путь технического прогресса. Вот почему в Программе КПСС, наметившей конкретный план коммунистического строительства, говорится о том, что мы должны создать материально-техническую базу нового общества.

Новая могучая техника, которой будет вооружено наше производство, поднимет за 20 лет производительность труда в 4—4,5 раза. А объем промышленной продукции увеличится за эти годы не менее чем в шесть раз. Другими словами, наша страна по своей индустриальной мощи как бы раздвинется в своих границах и увеличится вшестеро! И это сделает героический труд советского народа, помноженный на технический прогресс.

Технический прогресс — понятие очень широкое.

Это — совершенствование всей многогранной современной техники: старая техника заменяется новой, а новая — новейшей; ручной труд перекладывается на плечи машин. Технический прогресс означает также совершенствование технологии производства — способов изготовления тех или иных изделий. При этом одна из величайших целей — повышение качества изделий до уровня лучших мировых стандартов. Эти две стороны технического прогресса тесно связаны. Но есть такие отрасли техники, развитие которых имеет решающее значение для ее прогресса. Об этих отраслях говорится в Программе партии — там, где дается характеристика основных условий создания материально-технической базы коммунизма.

Это — полная электрификация страны и совершенствование на ее основе техники, технологии и организации производства во всех отраслях народного хозяйства.

Это — комплексная механизация производственных процессов и все более полная их автоматизация. Это — широкое применение химии в народном хозяйстве; всемерное развитие новых, экономически выгодных отраслей производства, новых видов энергии и материалов. Это также всестороннее использование природных, материальных и трудовых ресурсов.

Важнейшую роль в техническом прогрессе играет наше машиностроение. Ежегодно советские машиностроители создают тысячи новых, все более совершенных станков, машин, механизмов, средств автоматики. Конструкторы новой техники добиваются, чтобы каждая вновь созданная машина работала лучше и быстрее, расходовала меньше энергии, стоила дешевле. Все теснее и плодотворнее связи машиностроения с сельским хозяйством. Конструкторы, инженеры, рабочие все полнее удовлетворяют запросы тружеников полей и животноводов в новой, прогрессивной технике.

С каждым днем все новые машины, цехи и целые производства автоматизируются, переводятся на «самостоятельную работу». При этом для полной автоматизации всего производственного процесса создается система машин-автоматов, в нее входят автоматы-двигатели, автоматы-орудия и управляющие автоматы. Вот пример такой автоматической системы. С осени 1964 г. на Криворожском металлургическом заводе начал действовать блюминг «1300» с непрерывно-заготовочным станом. Все операции на нем, включая уборку отходов проката, выполняют механизмы-автоматы. За работой этого огромного агрегата наблюдает один дежурный инженер.

Автоматизация социалистического производства — всюду, где это возможно и экономически выгодно,— главное направление технического прогресса наших дней.

Общественное производство эпохи коммунизма будет характеризоваться также обилием энергетических источников. Программой КПСС принят грандиозный план развития нашей электроэнергетики. Электричество — это самый удобный вид энергии. Ее можно дробить на любые части: огромный прокатный стан приводят в движение электродвигатели мощностью в сотни киловатт, а в карманном фонарике мы используем электрическую батарейку мощностью меньше одного ватта. Электрическую энергию можно мгновенно передавать на любые расстояния — туда, где она необходима. Эта энергия, при желании, легко превращается в другие виды, так же как и все другие виды энергии превращаются в электрическую.

Электричество уже настолько широко и всесторонне вошло в жизнь, что нам нелегко представить, как можно без него жить. И по мере того как развивается наше народное хозяйство, умножается мир машин, все большее значение приобретает электроэнергетика.

С помощью электричества осуществляется сейчас механизация и автоматизация производства. Обилие электроэнергии даст новую жизнь многим энергоемким производствам. Без титана, алюминия, никеля, без редких металлов, без разнообразных марок специальных сталей не может жить современная техника, а их получение немыслимо без электричества. Много электрической энергии требуют производства: сварочное, азотных минеральных удобрений, синтетических материалов... «Электрический конь» — наш транспорт. Все больше электроэнергии требуют разнообразные бытовые приборы. Внедрение электрической энергии в любую отрасль народного хозяйства несет с собой выгоды, улучшает, совершенствует производство.

Электрификация всей нашей страны — основа развития техники, основа создания материально-технической базы коммунизма. Вот почему в Программе КПСС подчеркивается необходимость обеспечить опережающие темпы производства электроэнергии. Электрификация дает могучую силу и неудержимую стремительность техническому прогрессу.

А вот еще один неисчерпаемый источник прогресса техники — химизация народного хозяйства. Химию справедливо называют наукой чудесных превращений. С ее помощью мы получаем то, что не дает и не может дать природа. Прекрасные заменители металлов и химические ткани, невиданные прежде строительные материалы и пищевые жиры, чудодейственные ростовые вещества и лекарства — все это дары современной химической науки и промышленности. Многие и многие вещества, созданные химиками, недаром называют «материалами технического прог-

ресса». Именно в них нуждается современная техника высоких скоростей, температур и давлений. Химия сегодня — это также обилие дешевых товаров народного потребления. Это — совершенствование, изменение в лучшую сторону многих производственных процессов, их ускорение и упрощение.

Дальнейшая электрификация, автоматизация и химизация современного производства имеют огромное значение и для развития сельского хозяйства.

Есть еще одна очень важная особенность современного производства — его тесная связь с наукой. Не только химия, но и физика, механика, математика оказывают теперь непосредственное и все более весомое влияние на промышленность и сельское хозяйство, становятся непосредственной производительной силой.

В машиностроении новые технические устройства все чаще теперь создают, используя последние научные достижения в области радиоэлектроники и кибернетики. Это позволяет существенно упрощать и совершенствовать производственный процесс, вводить новые методы управления и контроля, а в конечном счете опять-таки поднимать производительность труда и качество продукции.

Уже трудно назвать отрасль промышленности, где не работал бы сейчас мирный атом. Например, радиоактивное излучение дает возможность осуществлять автоматический контроль различных изделий. Металлическая лента просвечивается радиоизлучением (гамма-лучами) в процессе ее изготовления: чем толще лента, тем сильнее она поглощает излучение. При этом с помощью несложного автоматического приспособления можно поддерживать одну и ту же заданную толщину ленты, не останавливая производственного процесса.

В энергетике физика и химия открывают теперь новые очень заманчивые и гораздо более простые пути получения электрической энергии, например при помощи топливного элемента, в котором химическая энергия преображается прямо в электрическую. Открыты и уже внедряются в жизнь и другие высокоэффективные способы получения электроэнергии. А теоретическая механика — научная база всего машиностроения.

Перед вами лежит книга, в которой рассказывается о современной технике, о ее успехах и приложениях. (Важнейшей теме — сельскохозяйственной технике — посвящен большой раздел в т. 6 ДЭ «Сельское хозяйство».) Познакомьтесь с этой полезной книгой, подружитесь с великой силой, которая преображает окружающий нас мир, — с техникой XX века, и вы уверенно пойдете в жизнь, станете не гостями, а хозяевами в царстве машин, наших верных помощников, обогатите это царство своими открытиями. И в этом будет ваше настоящее счастье. На всю жизнь!

Ослепительный сноп искр — и в твердом сплаве, устоявшем перед стальным резцом, осталось тонкое отверстие. Его вырезал луч света. Такой луч-резец дает специальный квантовый генератор — лазер.

Рождающий молнию. С помощью этого уникального импульсного генератора можно получить разряд напряжением в несколько миллионов вольт.

ТЕХНИКА, ЕЕ ПРОШЛОЕ, НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ

Сколько вы знаете различных машин? Двадцать? Тридцать? Может быть, насчитаете даже пятьдесят? Все равно это будет лишь небольшая часть всех машин и механизмов, которые служат в наш век человеку, облегчают его труд, украшают жизнь.

Машины делают для нас практически все, чем мы пользуемся. Полезные ископаемые добыты и переработаны с помощью различных машин и механизмов. Машины помогли нам построить дома, сделать мебель, книги, тарелки и карандаши... Из продукции сельскохозяйственного производства (из злаков, овощей, хлопка, выращенных и убранных тоже с помощью машин) пекут хлеб, делают сахар и консервы, заготовляют мясные изделия, шьют одежду и обувь. Чтобы осуществить эти операции, нужно много энергии - ее на электростанциях тоже производят для нас машины.

Да, без машин не обойтись! Что можно сделать одной своей силой? Совсем немного. Ученые подсчитали: чтобы удовлетворить все свои потребности, человек должен быть в 80 раз сильнее самого себя. Сказочными силачами и делают нас машины. Но прошло много веков, прежде чем человек стал таким великаном.

ПРОШЛОЕ

У наших далеких предков

...Холодные, серые воды океана. Голые, темные скалы. Почти не видно растительности. Тишину нарушают лишь плеск волн да пронзительные крики морских птиц. Из узкого горла небольшого залива выплывает лодка. В ней человек; он почти голый. Богатырские плечи, мощные руки и короткие слабые ноги. Не удивительно - ведь он почти все время проводит в лодке. Но он там не один - с ним жена и дети. Да, это лодка-дом - убежище и средство передвижения жителей Огненной Земли...

Такую картину застали здесь, на южной оконечности Американского континента, европейские путешественники. Огнеземельцы не строили жилищ, не вели счет дням, не имели никаких связей с другими народами. Они питались тем, что давала природа,- рыбой, моллюсками, съедобными водорослями, яйцами морских птиц. Они жили так, как много тысяч лет назад жили на Земле все люди.

В разных уголках земного шара ученые-археологи разыскивают и изучают сохранившиеся следы жизни наших далеких предков - остатки их поселений в пещерах, предметы быта, орудия труда. По этим находкам мы узнаем, как постепенно, в процессе труда, человек делал различные орудия и совершенствовал их. На протяжении всей истории развития человеческого общества люди создавали все новые и новые орудия труда, использовали новые и новые материалы, применяли новые и новые способы их обработки. В этом и заключался прогресс техники - от рычага, мотыги, топора до современных автоматических линий.

С этого, пожалуй, и началась история техники...

Самые первые орудия человек просто брал у природы, находя крепкую палку или острый камень. Затем у первобытных людей родилась счастливая мысль привязать стеблями гибких растений заостренный камень к палке. Это был первый каменный топор. Наряду с камнем и деревом для изготовления орудий труда применялись кости, раковины, сухожилия животных и пр. Так в постоянной тяжелой борьбе за существование люди создали топоры и ножи, палицы и копья, луки и стрелы...

В процессе труда, изготовляя орудия, изменялся и сам человек - совершенствовались руки, изощрялся ум, приобреталась сноровка. Постепенно человек понял: чтобы быстрее свалить дерево, нужно сначала изготовить топор, чтобы удобнее было копать землю, надо сделать мотыгу, а чтобы легче поднять тяжесть - изготовить рычаг. Затраты труда при этом вполне себя оправдывают. Сделав орудие, можно быстрее и легче добывать то, что необходимо для существования.

Сильным толчком для материально-технического прогресса было открытие огня. С его помощью люди научились не только варить пищу и защищаться от холода и хищных зверей, но и обжигать глиняные изделия, обрабатывать каменные орудия. А позднее огонь привел к открытию металлов - материала, из которого мы до сих пор делаем большинство орудий труда. До наших дней огонь остается важным средством обработки изделий в промышленности. Большое значение для развития техники имело также приручение животных - лошади, буйвола, верблюда...

В ту же эпоху (а длилась она много тысяч лет) люди создали первые машины. Они были очень простыми и приводились в действие силой человека. Но это было огромным шагом вперед. Вот простой пример. Зерна злаков сначала просто растирали между двумя камнями. А потом эти камни немного обработали и стали вращать один из них. Дело пошло куда быстрее. Так появилась ручная мельница.

На заре истории техники

Совершенствование средств труда постепенно вело к тому, что человек мог произвести несколько больше одежды и пищи, чем ему надо было, чтобы кое-как существовать. С этого вре-

Величайшее достижение древней техники - колесо. Оно ведет свою родословную от катков, помогавших рабам древнего мира возводить грандиозные сооружения.

мени в племенных объединениях возникло новое явление: происходит деление на богатых и бедных. Обладающие властью - вожди племени, старшие рода - присваивают себе большую часть произведенных продуктов. Пленных уже не убивают и не принимают в члены рода, как раньше. Их теперь превращают в рабов.

Так начали создаваться основы нового общественного строя - рабовладельческого. За счет бесчеловечной эксплуатации сотен тысяч и миллионов рабов происходит ускоренное накопление богатств, совершенствуется техника. Рабовладельческое общество оставило много замечательных памятников труда. Вспомните такие сооружения древности, как египетские пирамиды, крепости Вавилона, греческие храмы, дороги и акведуки, построенные римлянами во многих странах мира, храмы Индии, крепости Средней Азии, дворцы и гробницы ацтеков и майя.

Именно в этот период появился термин «техника». Происходит он от греческого слова, означающего искусство, мастерство. И действительно, в то время самым важным в технике было индивидуальное мастерство человека. Именно от умения ремесленника или раба зависело, насколько прочен будет меч, как хорошо обтесана и уложена в стену глыба камня, насколько красива ткань или удобен глиняный кувшин.

Но, конечно, все большую роль приобретают орудия труда. Какие же технические приспособления использовались в эпоху рабовладельческого общества?

Воздвигая огромные сооружения, строители того времени пользовались рычагами. Свойства рычага изучил в III в. до н. э. гениальный древнегреческий ученый Архимед. Другое величайшее изобретение техники - колесо ведет свою родословную от катков. (Оно используется и сейчас в огромном большинстве машин и механизмов.) В ту же эпоху люди сделали первые шаги в использовании природной энергии - силы ветра. На морских весельных судах, где гребли прикованные к скамьям рабы, устанавливались и паруса.

Более широко энергия воды и ветра начинает использоваться во времена феодализма. Вода приводит в движение колеса мельниц, тяжелые молоты и мехи в кузницах. Шире применяется и энергия ветра - в ветряных мельницах, на кораблях. Но все эти источники энергии были «привязаны» к одному месту, зависели от погоды, от времени года и т. п.

Основными материалами техники в это время остаются камень, дерево, медь, бронза, железо. Появляется и сплав железа с углеродом - сталь. Она была намного прочнее всех известных ранее материалов. Из стали делали оружие, воинские доспехи, инструменты. Люди научились изготовлять и такие важные материалы, как бумага, стекло. Было создано книгопечатание.

Был изобретен порох, появилось огнестрельное оружие.

Возникают и совершенствуются приспособления для переработки материалов (техно-

В эпоху феодализма важнейшим источником энергии были вода и ветер

логические машины) - лесопилки, устройства для размельчения руды, бумажные мельницы, большие кузнечные молоты, металлоплавильные печи.

Новое время

Идут века. Растут средневековые города, в них развиваются разнообразные ремесла. Разбогатевшие купцы организуют военно-торговые экспедиции в далекие страны. Нарождаются классы пролетариата и буржуазии. Время выдвигает новые требования, рождает новые взгляды и открытия. Буржуазия заинтересована в развитии производств, в совершенствовании техники. А для этого нужна наука, опытное, всестороннее изучение природы.

Наступает век великих географических открытий. В морские дали, к неведомым землям устремляются бывалые моряки, купцы, искатели приключений. Христофор Колумб открывает новый материк - Америку, каравеллы Магеллана совершают первое путешествие вокруг

земного шара. Все новые большие и малые земли открываются в океанских просторах. То была бурная эпоха великих открытий и изобретений, эпоха, о которой Ф. Энгельс писал: «Это был величайший прогрессивный переворот из всех пережитых до того времени человечеством, эпоха, которая нуждалась в титанах и которая породила титанов по силе мысли, страсти и характеру, по многосторонности и учености».

Возникают первые капиталистические предприятия - мануфактуры. Беспощадной была здесь эксплуатация трудящихся. Рабочий день длился 14-16 часов, трудились даже маленькие дети.

Каждый рабочий выполнял на мануфактуре только какую-нибудь одну операцию. Например, при изготовлении ткани одни рабочие сортировали шерсть, другие пряли, третьи ткали, четвертые отделывали и т. д., тогда как раньше все эти операции выполнял один ремесленник. Подобная организация работы была выгодной. Производительность труда очень возросла. Кроме того, она имела большое значение для развития техники. Несложные

Большой шаг вперед сделала техника в век великих географических открытий.

операции, на которые был расчленен трудовой процесс, в принципе можно было поручить машинам. Именно мануфактуры создали предпосылки для победы машинной техники.

Но одних машин недостаточно - их надо приводить в движение. Был нужен такой источник энергии, который не был бы «привязан» к одному месту, как энергия текущей воды, не зависел бы от погоды, как энергия ветра.

И такой вид энергии нашли - тепло, энергия водяного пара. Над тем, как обуздать эту энергию, трудились многие изобретатели в XVII и XVIII вв.- англичане Томас Севери и Томас Ньюкомен, француз Дени Папен, русский И. И. Ползунов...

В 1698 г. Т. Севери изобрел паровой насос для откачки воды из шахт. А в 1705 г. Т. Ньюкомен, познакомившись с работами Д. Папена, создал пароатмосферную машину. Принцип ее работы был такой: пар из котла входил в цилиндр и поднимал его доверху. Затем в цилиндр под поршень пускали воду, пар конденсировался, давление понижалось, и атмосферное давление опускало поршень вниз. Машина была крайне громоздкой, действовала неравномерно и требовала огромного количества угля. Поэтому ее можно было использовать только для откачки воды на шахтах.

Первый паровой двигатель непрерывного действия создал И. И. Ползунов. Его машина была построена в 1766 г. и некоторое время работала на Урале на металлургическом заводе. Создателем универсального парового двигателя, который получил широкое распространение, стал английский механик Джемс Уатт. Работая над усовершенствованием пароатмосферной машины Ньюкомена, он в 1784 г. построил двигатель, который годился для любой машины. А нужда в таком двигателе была тогда огромная. В наиболее развитых странах Европы ручной труд на капиталистических фабриках и заводах все больше заменялся работой машин. Универсальный двигатель был необходим производству, и он был создан. Таков закон развития техники - изобретения появляются и внедряются в жизнь тогда, когда в них возникает необходимость.

В конце XVIII - начале XIX в. появляются машинные фабрики и заводы - комплексы машин, которые при помощи системы передач (трансмиссий) приводились в движение одним двигателем. Наступает время, названное в истории техники промышленным переворотом. С этого периода техника начинает развиваться значительно быстрее, чем раньше.

В XIX в. становятся все более многочисленными фабрики и заводы с машинным производством, на которых станки приводились в движение через сложную систему передач.

Особенно важным результатом промышленного переворота было возникновение машиностроения, т. е. предприятий, делающих машины для других фабрик и заводов.

Развиваются горное дело, металлургия, металлообработка. Большое значение приобретает резание металлов. Андреем Нартовым еще в первой четверти XVIII в. был изобретен механический суппорт для токарного станка. (Несколько десятилетий спустя это изобретение повторил английский механик Г. Модели.) Станки с механическим суппортом постепенно распространились во многих странах. Теперь на токарном станке можно было делать сложные детали машин с такой точностью и быстротой, что с ними не мог конкурировать даже самый искусный ремесленник.

Сотни и сотни фабрик, заводов заработали на полный ход. Дымили тысячи труб, стучали и гремели станки, рабочие трудились с утра до ночи. Развивающееся производство ежедневно требовало огромного количества каменного угля, дров, металла, хлопка и других материалов. А на складах скапливались кипы готовых товаров. Как все это вывозить? Лошади и медлительные парусные суда, зависящие от капризов погоды, не могли справиться с постоянно растущим потоком грузов. Для развивающегося машинного производства нужен был и механический транспорт.

И такой транспорт вскоре появился. Помог этому все тот же универсальный паровой двигатель. В 1803 г. в Париже на р. Сене американец Р. Фультон впервые испытал судно, движимое силой пара. А через четыре года по р. Гудзону уже ходил построенный Фультоном

Техника дала людям тысячи и тысячи изделий. Техника дала людям и транспорт, способный быстро развозить эти изделия и доставлять на фабрики сырье и топливо. Первыми механическими средствами транспорта были пароход и паровоз.

первый в мире колесный пароход «Клермонт» с двигателем мощностью в 20 л. с.

В 1814 г. англичанин Джордж Стефенсон создал паровоз, который двигал состав весом 30,5 т со скоростью 6 км/час. В России отец и сын Черепановы, крепостные мастера уральского завода, тоже вскоре построили паровоз. Механический транспорт начал действовать и быстро распространился по всем промышленно развитым странам.

В XIX в. техника сделала огромный скачок вперед. Были созданы новые, быстроходные станки. Люди научились получать высококачественную сталь в конвертерах, изобретенных англичанином Генри Бессемером, и в печах, предложенных французами Эмилем и Пьером Мартенами. Наука в это время давала технике все новые и новые металлы и сплавы. Появился, например, металл будущей авиации - алюминий.

Широкое развитие получают химия и химическая промышленность. Огромное значение в убыстренном прогрессе этой важнейшей отрасли производства имели работы замечательных русских ученых-Д. И. Менделеева и А. М. Бутлерова. Появляются первые крупные химические заводы: предприятия по производству соды, серной кислоты, минеральных удобрений.

Поиски более удобного и экономичного теплового двигателя шли по двум основным путям. Одни изобретатели стремились создать принципиально новый вид теплового двигателя, в котором топливо сгорало бы прямо в цилиндре. Такой двигатель был бы меньше по размерам и удобнее, особенно на транспорте. Другие

изобретатели стремились усовершенствовать паровой двигатель, сделать его более мощным и экономичным.

Долгие поиски дали свои результаты. Француз Ленуар в 1860 г. создал первый двигатель внутреннего сгорания. В нем он сохранил части паровой машины - поршень и цилиндр, использовал в качестве топлива нефть, а для ее зажигания предложил электрическую искру. Новый двигатель стал прообразом современных моторов, которые сейчас работают на автомобилях, тракторах, винтомоторных самолетах.

А в 1897 г. немецкий инженер Рудольф Дизель получил патент на другой тип двигателя внутреннего сгорания. В нем не было системы электрического зажигания, в цилиндре сжимался воздух, а затем впрыскивалось горючее. При сжатии температура повышалась и горючая смесь самовоспламенялась. Двигатель этого типа - его назвали дизелем - установлен сейчас на теплоходах и тепловозах, тяжелых автомобилях и походных электростанциях.

Коренным образом изменился и паровой двигатель. Изобретатели решили использовать не давление пара, а скорость его движения. Так была создана в 1884 г. англичанином Парсонсом первая многоступенчатая паровая турбина.

Все это были достижения огромной важности в истории развития техники XIX в. Но главным, величайшим из них было широкое распространение нового вида энергии - электричества. Путь его был долгим и трудным, но именно электричество сделало нашу технику такой, какой мы ее видим сегодня.

Победа электричества

В один из осенних дней 1838 г. жители Петербурга, проходившие по набережной Невы, невольно останавливались и с интересом смотрели на реку. По ней против течения шла большая лодка необычного вида. На лодке не было ни гребцов, ни весел. Не походила она и на пароход. У судна были гребные колеса, но не было трубы, не было слышно стука парового двигателя. Какая-то сила вращала гребные колеса, и лодка быстро продвигалась вперед, преодолевая сильное встречное течение.

Это испытывалось первое в мире судно, приводимое в движение электрическим мотором; ток для него давала мощная батарея гальванических элементов.

Электрические явления были известны еще в древней Греции. Однако серьезно их начали изучать только в конце XVIII в. После того как замечательный английский физик Майкл Фарадей открыл в 1831 г. электромагнитную индукцию (см. статьи раздела «Электромагнитное поле» в т. 3 ДЭ), начинается работа над созданием источников (генераторов) электрического тока и электродвигателей.

Одним из первых такой двигатель создал в 1834 г. русский ученый и изобретатель Б. С. Якоби. Его двигатель состоял из вращающегося диска, по окружности которого были закреплены электромагниты. Такие же электромагниты были укреплены по окружности на неподвижной раме. Когда включался электрический ток, подвижные и неподвижные электромагниты притягивались друг к другу и диск начинал вращаться.

Почти четыре года совершенствовал Якоби свое изобретение, прежде чем решил его про-

демонстрировать. Наконец все сомнения отпали, и осенью 1838 г. новый электрический двигатель был успешно испытан на Неве. Так был создан практически пригодный электрический двигатель, работающий на постоянном токе.

Вскоре появились и другие, более совершенные двигатели и генераторы электрического тока. Одновременно велись опыты по передаче электрической энергии на дальние расстояния. Французский ученый М. Депре построил линию длиной 57 км и передавал по ней ток напряжением 2 тыс.в и мощностью 3 кет. Ф. Энгельс писал об этих опытах:

«Паровая машина научила нас превращать тепло в механическое движение, но использование электричества откроет нам путь к тому, чтобы превращать все виды энергии - теплоту, механическое движение, электричество, магнетизм, свет - одну в другую и обратно и применять их в промышленности. Круг завершен. Новейшее открытие Депре, состоящее в том, что ток очень высокого напряжения при сравнительно малой потере энергии можно передавать по простому телеграфному проводу на такие расстояния, о каких до сих пор и мечтать не смели, и использовать в конечном пункте,- дело это еще только в зародыше,- это открытие окончательно освобождает промышленность почти от всяких границ, налагаемых местными условиями...»

Электротехника переживала во второй половине XIX в. бурное развитие. Знаменитый изобретатель П. Н. Яблочков предложил использовать электричество для освещения. Разрабатывая схему питания своих «электрических свечей», он, по существу, дал прообраз современных энергетических систем с центральной электростанцией, с повышающими

ПЕРВЫЙ ПРОЕКТ РЕАКТИВНОГО САМОЛЕТА

Первая фотография этой рукописи, присланная из Парижа, оказалась неудачной. Даже опытный музейный работник, в совершенстве знавший французский язык, не смог ее прочесть. Вторая была более совершенной. Рукопись удалось перевести на русский язык. И тогда историки авиации сделали замечательное открытие...

Отставной артиллерийский офицер Николай Афанасьевич Телешев почти 100 лет назад зарегистрировал в Париже заявку на «реактивный самолет». Расшифрованная французская рукопись была «Описательным докладом для подтверждения заявки на патент», поданным в патентное бюро Франции 17 августа 1867 г.

Конечно, реактивная летательная машина Н. А. Телешева - или, как он называл, «теплородный духомет» - не похожа на современные реактивные самолеты.

Но многие свойства этого аппарата позволяют считать его подлинным прародителем реактивных самолетов современности.

О жизни Николая Афанасьевича Телешева, к сожалению, сведений очень мало. Известно, что в царской России министры и чиновники осмеяли создателя замечательного проекта, они назвали его «химерой», «мечтой». Известно также, что, когда народовольцы в 1881 г. казнили царя Александра II, Н. А. Телешев был заподозрен в близости к революционерам. Вовремя предупрежденный, Николай Афанасьевич успел скрыться. Он жил в Париже и скончался в 1895 г. шестидесяти семи лет. Друзья замечательного русского изобретателя похоронили его на кладбище Пер-Лашез. В земле, где покоятся великие бойцы Парижской Коммуны.

Изобретение А. С. Поповым «беспроволочного телеграфа» положило начало истории радио.

и понижающими трансформаторами, с электродвигателями и осветительными приборами.

Русский инженер М. О. Доливо-Добровольский предложил применять трехфазный ток и создал электродвигатель переменного тока.

В 1899 г. генератор трехфазного тока был впервые соединен с паровой турбиной. Так появилась наша современная энергетическая схема, в которой есть первичный двигатель, черпающий энергию от природы, генератор электроэнергии и вторичный двигатель. Так было положено начало электрификации, которую Владимир Ильич Ленин назвал основой техники будущего.

Современная жизнь немыслима без электрических двигателей. Они работают всюду: в шахте и на железной дороге, в квартире и на фабрике, на подводной лодке и на теплоходе, в механической мастерской и в лаборатории ученого. Они во многом Облегчают нашу жизнь.

Электрический двигатель имеет в сравнении с паровой машиной ряд больших преимуществ.

Он занимает немного места, при работе электромотора не выделяется ни дыма, ни пара, ни газов. В любое время его можно пустить в ход, достаточно лишь включить рубильник, т. е. пустить в мотор электрический ток. Он значительно более прост, чем паровая машина. Его можно сделать любых размеров, любой мощности - от моторчика для настольного вентилятора до двигателя, приводящего в движение огромную машину на фабрике или заводе.

Электричество помогло осветить города. Изобретатели П. Н. Яблочков, А. Н. Лодыгин, Т. Эдисон много сделали для того, чтобы тьма ночи отступила перед человеком.

Благодаря электричеству появились новые технические процессы - электротермическая обработка, электрохимия, электросварка. Электричество открыло широкие пути автоматике.

Электрическая энергия дала миру также современную связь - быструю и надежную. Благодаря работам американца С. Морзе, русского ученого П. Л. Шиллинга и других был создан телеграф. В 1876 г. американец А. Белл создал телефон.

Победное шествие электричества продолжалось. В 1895 г. профессор А. С. Попов впервые продемонстрировал в Русском физико-химическом обществе свое новое изобретение - «беспроволочный телеграф». Началась история радио, которое в процессе своего развития превратилось в огромную, широко разветвленную область техники - радиоэлектронику.

XX век принес технике новые замечательные победы. Мощнейшим рычагом в развитии всех сторон жизни нашего общества явилась Великая Октябрьская социалистическая революция. Она открыла широчайшие перспективы технического прогресса. Каждое десятилетие в развитии техники теперь равнялось прежнему столетию.

НАСТОЯЩЕЕ

...В двух часах езды от Москвы, в г. Обнинске, стоит несколько зданий. Самое большое из них, трехэтажное, чем-то напоминает школу. Только высокая труба нарушает впечатление.

Здесь трудятся могучие силы атома. Это - первая в мире атомная электростанция, созданная гением советского человека. В 1954 г. она дала ток.

Сердце атомной электростанции - ядерный реактор, или, как его еще называют, атомный котел. Здесь находится «атомное топливо», или, говоря точнее, ядерное горючее. Таким горючим служит теперь главным образом тяжелый серебристый металл уран. Процесс «горения» атомного топлива идет не прекращаясь. Деление урановых ядер сопровождается выделением огромных количеств энергии. За ее счет нагре-

вается вода, пар вращает турбины электрогенераторов - и по проводам «бежит» электрический ток (см. ст. «Атомные электростанции»). Атомные реакторы работают уже на нескольких советских электростанциях. Они движут и ледокол «Ленин» - флагман советского Северного флота. Они действуют в научно-исследовательских институтах и лабораториях. Появились передвижные атомные электростанции - замечательные помощники тех, кто в глухих и далеких районах ищет полезные ископаемые, прокладывает дороги, строит заводы и фабрики, возводит новые города.

Движущая сила

Немногим более ста лет назад царская Россия была участницей Всемирной выставки в Лондоне. Посетители выставки высоко оценили «мягкое золото» сибирских соболей, любовались изделиями из уральского малахита. Что касается научно-технических достижений, то показать России тогда было почти нечего. Гениальные труды русских ученых были мало известны за рубежом.

В 1958 г. на Всемирной выставке в Брюсселе Советский Союз демонстрировал народам мира «электростанцию будущего» - действующую модель первой атомной станции; первые небесные тела, созданные человеком,- искусственные спутники Земли; самые совершенные станки с программным управлением...

Это были зримые плоды невиданного технического прогресса страны, живущей под солнцем социализма. При социализме, говорил В. И. Ленин, техника из силы, порабощающей человека, впервые становится мощным орудием его освобождения. Идя по пути, указанному нашим великим учителем, советский народ превратил отсталую в техническом отношении Россию в страну мощной промышленности и первоклассной техники.

Борьба за коммунизм предусматривает как важнейший фактор всесторонний технический прогресс, постоянное совершенствование техники. А одно из непременных условий ее развития, как указал В. И. Ленин,- электрификация.

Вот почему Коммунистическая партия и Советское правительство уделяют такое большое внимание развитию электроэнергетики в нашей стране.

Изобилие энергии - это важнейший залог автоматизации и механизации на производстве и в быту, это высочайшая производительность труда и столь же высокий уровень жизни людей.

Ученые СССР работают сейчас над проектами создания ЕЭС - Единой энергетической системы страны. Это очень сложная техническая задача - объединить огромные потоки энергии, поступающие со всех электростанций. Но зато

В 1980 г. электростанции Советского Союза будут производить 2700 - 3000 млрд. квт·ч электроэнергии. Эту задачу поможет выполнить современная техника, созданные ею турбины-великаны.

и очень выгодно создать единую сеть и направлять энергию туда, где она больше всего нужна в данное время. Известно, например, что вечер наступает на Урале раньше, чем в центральном районе. Электростанции Центра в это время начинают передавать на Урал часть вырабатываемой ими энергии. Но и утро приходит на Урал раньше, и тогда поток электроэнергии идет в обратном направлении - с Урала в Центр. (Более подробно о целях и преимуществах ЕЭС рассказано в ст. «От плана ГОЭЛРО к большой энергетике».) В нашей стране уже действует ряд энергетических систем больших районов- Советского Союза. А энергосистема Западной Украины объединена с энергосистемами некоторых социалистических стран Европы.

Ученые и инженеры работают над новыми проектами электростанций, над принципиально новыми способами получения электрической энергии. Это не только сверхгигантские электростанции, которые возникнут на сибирских реках. Это и огромные станции, которые будут использовать энергию морских приливов и отливов, энергию ветра и солнечных лучей (см. ст. «Энергетика будущего»).

Широкие горизонты перед советской энергетической техникой открывает использование внутриядерной энергии. Уже ясно видны перспективы создания термоядерных электростанций. Каждая такая электростанция станет, по существу, маленьким солнцем на Земле - в ней будут происходить те же реакции, что и в недрах нашего светила. А топливом будет служить тяжелый водород - это почти неисчерпаемый источник энергии.

Так развивается современная энергетическая техника. Много и плодотворно работают ученые и инженеры нашей страны, героически трудится весь советский народ, чтобы дать изобилие энергии для заводов и шахт, для миллионов и миллионов разнообразных машин и механизмов, радиостанций и телевизоров, нефтепромыслов и электровозов. А главное - для блага советских людей, для улучшения и облегчения их жизни, для того, чтобы наш народ как можно скорее построил самое справедливое, самое счастливое общество - коммунистическое.

В мире автоматики

Чтобы создать атомную электростанцию и управлять ею, чтобы построить сверхмощную паровую турбину или гигантский генератор,

чтобы даже спроектировать и рассчитать их, нужна сложнейшая техника, нужны «умнейшие» машины.

Вот мы на атомной электростанции. В ее реакторе выделяется огромное количество энергии. Как управлять этим процессом, чтобы он протекал равномерно, как подчинить его себе? Ведь люди не могут даже близко подойти к реактору. Но человек создал себе помощников - автоматы. Это они следят за всем и мгновенно сообщают на пульт управления, это они моментально включат нужный механизм.

Перед нами лопатка паровой турбины для ТЭЦ. Оказывается, она требует сложнейших математических расчетов. Ее конструктор должен предусмотреть все: и материал, который выдержал бы огромные температуры и скорости вращения, и очень точную конфигурацию, и крепление лопатки к валу.

И тут на помощь приходят электронно-вычислительные машины. Созданные человеком, они делают все необходимые расчеты в тысячи раз быстрее и точнее, чем люди. А затем на заводе автоматы сами управляют резцами станка и очень точно изготовляют эту лопатку - важную часть турбины.

Современная техника немыслима без автоматов. Не будь автоматов, не могли бы летать сверхзвуковые самолеты, подниматься в космос ракеты, работать огромные химические заводы и прокатные станы, погружаться в глубины океана подводные лодки, двигаться скоростные тяжелогруженные поезда.

Современная техника непрерывно совершенствуется, переходит ко все более и более сложным автоматам. Сейчас уже есть автоматические системы, которые не только следят за тем, чтобы машины работали в заданном режиме, но и сами настраиваются на нужный режим, выбирают наивыгоднейшие условия работы или изменяют свою программу в соответствии с внешними условиями.

Развитие автоматики связано прежде всего с успехами электроники. Это она дала возможность создавать в больших масштабах автоматические машины и целые системы машин, управляемые приборами и другими машинами (более подробные сведения об этом вы можете найти в статьях разделов «Автоматика» и «Радиоэлектроника»).

В конце 40-х годов нашего века в результате того, что были созданы и начали применяться электронно-вычислительные машины, возникла новая наука - кибернетика. Эта наука о связи, управлении и регулировании в машинах

и живых организмах значительно расширила возможности автоматизации производственных процессов.

Кибернетика изучает живые организмы и машины с точки зрения способности воспринимать определенную информацию (см. ст. «Универсальный носитель информации»), хранить и передавать ее, перерабатывать в сигналы, которые направляют деятельность данных организмов или машин.

С развитием техники автоматических устройств, с возникновением кибернетики автоматизация пошла вперед семимильными шагами. Стали появляться не только отдельные автоматические машины, но и целые автоматические цехи и заводы.

Автоматизация - это гигантский переворот в технике, качественно новое ее состояние. Она не только быстро двинула вперед производство, позволила резко поднять производительность труда, она коренным образом изменила сам характер труда. Однако в капиталистическом обществе автоматизация во многих случаях становится врагом трудящихся. Когда капиталист автоматизирует производство, он безжалостно выбрасывает на улицу всех рабочих, без которых может обойтись. Растет безработица, и еще больше обогащаются эксплуататоры.

Совершенно иное дело у нас. В социалистическом обществе автоматизация не несет никакой угрозы безработицы.

Для внедрения автоматики, для того чтобы управлять ею, нужны знания, необходимо среднее и даже высшее техническое образование,

Современная техника немыслима без автоматов. Автоматы не только помогают водить сверхзвуковые самолеты, поднимать в космос ракеты и управлять процессами на химических заводах. Разливка молока - тоже «профессия» автоматов.

высокая культура труда. Так автоматизация в нашей стране ведет к повышению культурно-технического уровня трудящихся, к стиранию граней между умственным и физическим трудом.

На автоматизированных предприятиях весь тяжелый физический труд поручается машинам. Труд человека становится качественно иным. Кроме того, автоматизация у нас ведет к сокращению рабочего дня, к тому, что люди будут иметь все больше и больше времени для отдыха и художественного творчества.

Как видим, автоматизация - одно из главных средств в борьбе за изобилие, за коммунизм. Именно поэтому ей уделено такое большое место в Программе КПСС. Там подчеркивается, что в ближайшие годы у нас будет развиваться комплексная автоматизация и механизация производства. Это значит, что будут внедряться целые автоматизированные и механизированные цехи, заводы, комбинаты, шахты. Вот магистральный путь развития нашей техники.

Химизация народного хозяйства

Мы рассказали о двух главных путях развития техники и всего народного хозяйства в нашей стране - об электрификации и автоматизации. Но есть еще одно важнейшее направление технического прогресса - химизация. Значение широкого внедрения в народное хозяйство и быт достижений химии трудно переоценить.

Химизация помогает решить одну из важнейших проблем современной техники - проблему создания новых материалов. Без конструкционных материалов, обладающих необходимым набором свойств, немыслим сейчас прогресс техники.

Возьмем, к примеру, современные гигантские паровые турбины, о которых мы уже говорили. Их к. п. д. зависит от температуры пара: чем она выше, тем к. п. д. больше. А повышать температуру можно лишь тогда, когда рабочие колеса, лопатки турбины сделаны из таких материалов, которые не теряют своих свойств при сильном нагревании.

И современная химия в сотрудничестве с физикой дала советской энерготехнике металлы и сплавы высокой и сверхвысокой прочности и жаростойкости. Их применяют в турбинах и генераторах, ракетах и подводных лодках, ядерных реакторах и электронных счетно-решающих устройствах.

Химия - это новые материалы, легкие, прочные и красивые.

Огромное значение в современной технике нередко имеет чистота материалов. Так, если бы не были получены сверхчистые кремний и германий и если бы их полупроводниковые свойства не были изучены, полупроводники не произвели бы переворота в электротехнике и радиоэлектронике. Получать сверхчистые материалы дает возможность физическая химия. Это благодаря ей у нас есть разнообразные полупроводники и сверхчистые изотопы урана для атомных электростанций, сверхчистые мономеры для получения пластмасс и сверхчистые металлы для получения различных сплавов. Нельзя, например, получать искусственные алмазы при помощи сверхвысоких давлений, если нет сверхчистого углерода. Физико-химия дала и дает нам также отличные строительные материалы - цементы, силикальциты, ситаллы (кристаллическое стекло, которое по многим качествам превосходит сталь).

Химия не только улучшает природные материалы. Она сейчас дает еще и огромное количество самых разнообразных материалов, которых в природе вообще не существует и которые по своим свойствам во многих отношениях лучше естественных. Советская химическая индустрия производит пластические массы и искусственные волокна, кремнийорганические соединения и новейшие виды горючего, различные материалы с заранее заданными свойствами -

кислотоупорные, жаропрочные, не боящиеся радиации, упругие, сверхлегкие, не поддающиеся истиранию, сверхизоляторы и сверхпроводники, прозрачные и непрозрачные... И все эти синтетические материалы применяются в промышленности, строительстве, сельском хозяйстве, быту.

Химизация - это еще и разнообразные искусственные удобрения, и синтетическая белковая подкормка для животноводства, и ядохимикаты для уничтожения вредителей сельского хозяйства, и гербициды для борьбы с сорняками, и ростовые вещества, способствующие быстрому развитию культурных растений. Химизация - это и новейшие красители, и краски, и отличная бумага, и разнообразные лекарства (см. статьи раздела «Химическая промышленность»).

Следует отметить и еще один дар химической науки современной технике и производству. В содружестве с физикой она дала очень много для развития технологии, новые способы обработки материалов например.

Сверхтвердость и жаропрочность новых материалов, требования очень высокой точности - все это не могло не вызвать к жизни новые методы обработки. На помощь пришла современная наука. Физика и химия подсказали здесь такие пути, как экструзионный метод - выдавливание при помощи высоких давлений, электрохимические и ультразвуковые методы и т. п. Из химии в машиностроение, электронную промышленность, даже на транспорт пришла так называемая поточная технология. Она позволяет в широкой степени автоматизировать и механизировать трудовые процессы.

На переднем крае

Вы, очевидно, обратили внимание на частое употребление в этих статьях приставки «сверх»: сверхтвердость и сверхчистота, сверхвысокие давления и сверхнизкие температуры. Это делается не для красного словца. Приставка «сверх» наиболее точно характеризует тенденции развития современной техники.

За плечами современной техники долгая и богатая событиями история. На этом рисунке изображены ее некоторые принципиально важные этапы. Вверху - за изготовлением каменных орудий; на строительстве древнеегипетских пирамид широко применялись бронзовые инструменты для обработки камня, катки и рычаги. В середине - энергия текущей воды поставлена на службу техники; так выглядели первые паровозы. Внизу - в конце прошлого века улицы и площади многих европейских столиц залил свет «электрической дуги Яблочкова».

Будущее советской техники рождается сегодня.

От техники постоянно требуются все большая мощность и надежность, все лучший коэффициент полезного действия и максимальная портативность. Конечно, через 50, 25 и даже 10 лет то, что мы сейчас с гордостью отмечаем приставкой «сверх», станет недостаточным. Перед наукой и техникой встанет задача по достижению новых «сверхпоказателей». Вернее, перед ними такая цель стоит постоянно - новый день приносит и новые успехи, и новые задачи. Но для каждого периода достижение своих «сверх» - огромная победа.

Различных требований - самых разнообразных, подчас противоположных, иногда даже взаимоисключающих друг друга! - в технике много. Как их сочетать? Этому и помогают процессы, которые можно характеризовать более или менее точно, только добавив к их названиям приставку «сверх». В первую очередь это температура и давление - так называемые физические параметры, показатели работы машин и механизмов. Современная техника работает на сверхпараметрах. Например, в мощной паровой турбине применяется сверхвысокая (для такой машины) температура. В результате струя пара движется со сверхзвуковой скоростью, и турбина развивает огромную, невиданную до сих пор мощность.

Сверхвысокие температуры, освоенные техникой,- это не только мощные двигатели, но и новые материалы, покоренная плазма для термоядерной электростанции и многое другое. А сверхнизкие температуры - это сверхпроводимость, т. е. возможность создать миниатюрные электронные приборы, усовершенствовать счетно-решающие машины, сконструировать сверхъемкие аккумуляторы.

Температуры, как мы знаем, тесно связаны с давлением. Сверхвысокое давление дает технике такие материалы, как искусственные алмазы, различные полимеры, новейшие сплавы. А без сверхнизкого давления не будут работать электронные лампы, невозможно исследовать ядерные частицы в ускорителях, получать сверхчистые металлы, вести обработку материалов электронным лучом.

Очень высокие и низкие температуры и давления, сверхскорости и другие «сверх» встречаем мы в современной технике буквально на каждом шагу, почти в каждой новейшей машине. А вот еще одна тенденция современной техники. С одной стороны, она стремится к наибольшей компактности, к миниатюризации. Инженеры и конструкторы стараются в наименьшем объеме поместить как можно больше элементов, приборов, машин, механизмов (обладающих в то же время наибольшей мощностью, быстротой и точностью действия). А с другой стороны, создаются гигантские сооружения: плотины наших гидроэлектростанций, огромные металлорежущие станки, прокатные станы длиной в километр, шагающие и роторные экскаваторы...

Успехи современной техники были бы невозможны, если бы не достижения естественных наук, особенно таких, как физика и химия. Это понятно, ведь в основе техники - применение законов природы. И когда естествознание открывает новые законы природы, человек сразу же стремится использовать их в своей трудовой деятельности.

Так было всегда в течение всей истории техники. Например, физики открыли тайну атомного ядра сравнительно недавно. Но уже работают электростанции на ядерном топливе, плавают корабли с атомными двигателями, химики облучают полимеры гамма-лучами, чтобы улучшить качество материалов.

В то же время техника Сама постоянно дарит науке все более мощные средства для дальнейших исследований. Так, электронный микроскоп, созданный инженерами, помогает биологам проникать в тайны клетки, гигантские ускорители - синхрофазотроны - дают физикам возможность исследовать элементарные частицы, электронно-счетные машины помогают астрономам и экономистам, математикам и биологам.

И все же главное, что определяет развитие техники,- это социально-экономические условия. Техника не развивается вне способа производства, она важнейшая составная часть производительных сил. Когда мы говорили об автоматизации, мы упоминали, что технический прогресс при капитализме ведет к резкому обострению капиталистических противоречий, а в социалистическом обществе - к процветанию.

Что же конкретно дает развитие современной техники людям? В нашей стране это прежде всего наилучший, наиболее быстрый путь к созданию материально-технической базы коммунизма.

С развитием техники у нас на первый план выдвигаются такие отрасли производства, как радиоэлектроника, добыча нефти и газа, химическая промышленность. Иначе говоря, технический прогресс ведет к изменению структуры экономики страны.

В связи с техническим прогрессом в нашей стране быстро растут новые промышленные

районы, особенно в местах, где открыты большие залежи полезных ископаемых. В Тюменской области, например, обнаружены большие залежи нефти и газа. И сейчас в тайге возникают нефтепромыслы, строятся дороги, трубопроводы, заводы.

Глухой недавно край быстро превращается в развитую промышленную область.

Большие требования предъявляет современная техника и к организации промышленности. Так, современные заводы и фабрики постепенно превращаются в предприятия, где проводится глубокая специализация, т. е. они выпускают какой-либо один вид продукции. Это дает возможность автоматизировать процесс, ускорить его, обеспечить лучшее качество. А с другой стороны, такая специализация ведет к развитию более тесного сотрудничества между предприятиями (его называют кооперированием).

Химия - это новые виды транспортных средств. На рисунке вы видите, как нефть перекачивают в длинный рулон из синтетического материала, превращая его в своеобразную наливную баржу.

Развитие техники влияет не только на размещение и организацию промышленности, не только на духовный, творческий рост советских рабочих и инженеров. Современная техника буквально пронизывает все области жизни. Вносит она глубокие изменения и в наш быт. Благодаря достижениям техники мы можем теперь быстро и хорошо строить современные дома. И в квартирах у советских людей есть множество самых разнообразных технических устройств - радиоприемники и телевизоры, магнитофоны и холодильники, полотеры и пылесосы...

Техника и экономика

А теперь поговорим об экономической стороне совершенствования техники.

Первоначально доля труда, которую люди затрачивали на изготовление орудий труда, была невелика. Орудия были тогда просты, изготовить их было несложно, это не требовало больших затрат. Но простые орудия и производительность труда давали невысокую. Она зависела главным образом от умения, от искусства работника, постепенно, в течение всей своей жизни, накапливавшего опыт и навыки.

Техника развивалась, человек стал все больше использовать силы природы для приведения в действие орудий производства. Появились машины. Орудия труда становятся все более сложными, труд, который люди затрачивают на их изготовление, становится все больше. И все же людям эти большие затраты были выгодны - новые орудия позволили в громадной степени поднять производительность труда, увеличить количество производимой продукции и удешевить ее.

Коммунистическая партия в своей Программе поставила задачу - так развить производство, чтобы за 20 лет создать полное изобилие в стране. Но для расширения производства нужны новые машины и станки, целые новые заводы, шахты, электростанции, транспортные магистрали. Поэтому наши хозяйственные планы предусматривают все большие затраты на постройку новых и расширение существующих заводов, фабрик, электростанций, шахт, нефтепромыслов и рудников, совхозов и колхозов, железных дорог и портов.

Эти затраты очень велики, и их надо производить экономно, с таким расчетом, чтобы на имеющиеся у народа средства построить возможно больше, быстрее и лучше и чтобы получить

от построенного максимально высокую полезную отдачу. Значит, очень важно сосчитать, каких затрат потребует новая техника и какой эффект они дадут. Только тогда новая техника хороша, когда приносимые ею продукты в короткий срок окупят затраченные средства.

Возьмем, к примеру, известную всем землеройную машину - экскаватор. Один из наиболее распространенных одноковшовых экскаваторов на гусеничном ходу с емкостью ковша 0,25 м³ стоит много денег - около 7 тыс. руб. Так нужно ли его делать? Может быть, поручить его «работу» землекопам - ведь лопаты совсем дешевая вещь? Нет, это, конечно, было бы неправильно со всех точек зрения, в том числе и с точки зрения экономической. Подсчитаем, насколько выгоднее применение такого экскаватора по сравнению с трудом землекопов.

Сначала определим, из чего складывается стоимость работы машины. Около трети расходов в сутки составляет заработная плата машиниста экскаватора вместе с остальными выплатами на его содержание (оплатой отпуска, взносов в фонд социального страхования, оплатой спецодежды и т. д.). Около десятой части расходов падает на оплату горючего для двигателя и смазочных материалов. Далее нужно предусмотреть расходы на различные виды текущего ремонта, который приходится делать время от времени.

Стоимость ремонтных работ надо распределить равными долями на каждую смену между ремонтами. Это составит примерно столько же или несколько больше, чем расходы по заработной плате.

И наконец, надо учесть расходы по амортизации - ведь экскаватор изнашивается. Срок его службы составляет, скажем, 8 лет. Значит, каждый год нужно отчислять одну восьмую часть его стоимости - в данном случае около 900 руб., чтобы к тому времени, когда он полностью износится и выйдет из строя, накопилось бы достаточно средств, чтобы приобрести новый экскаватор. Разделив величину годовых отчислений на число смен в году, скажем на 300, получим около 3 руб. расходов по амортизации, приходящихся на одну смену. А всего смена работы машины, как подсчитали специалисты, стоит 17 руб.

Сколько же грунта выроет наш экскаватор за одну смену? В среднем около 80 м³ . Значит, стоимость 1 м³ вынутого грунта составит 17:80 = 0,2125, т. е. немногим более 21 коп.

Новые орудия труда, новые машины и механизмы позволили в громадной степени поднять производительность труда, увеличить количество продукции и удешевить ее. К этим орудиям относится и изображенный на рисунке гигантский роторный экскаватор.

Заметим, кстати, что, чем мощнее экскаватор, тем меньше себестоимость вынутого им грунта. При работе экскаватора с ковшом емкостью 6 м³ себестоимость 1 м³ грунта составляет всего 10 коп.

Землекопу нужно заплатить примерно 50 коп. за 1 м³ грунта - в 2,3 раза дороже, чем при работе экскаватора с емкостью ковша 0,25 м³. Если наш экскаватор будет правильно использоваться, то в течение года он выработает 24 тыс.м³ земли - это будет стоить 5100 руб. Землекопам за такую же работу надо выплатить 12 тыс. руб. - на 6900 руб. больше. Эти

6900 руб. и отражают годовой экономический эффект, который дает экскаватор в сравнении с ручным трудом.

С другой стороны, надо учесть, что даже малый экскаватор заменяет большое количество землекопов. Землекоп за 7 часов работы выкопает 7 м³ земли. Это значит, что экскаватор заменяет за смену 11 землекопов! При большом объеме земляных работ нужное количество землекопов было бы просто невозможно найти.

Но все, что было сказано, верно только при условии, если наш экскаватор правильно используется, работает примерно 300 смен в году и за одну смену выбирает 80 м³ грунта. Если же он будет работать с неполной нагрузкой, будет простаивать, будет забирать неполный ковш земли, его выработка снизится и каждый кубометр грунта обойдется нам значительно дороже. Ведь постоянные расходы, затраченные на экскаватор, при этом уменьшаются ненамного.

Поясним, что такое постоянные расходы, на другом примере. Среди различных затрат на печатание книги есть расход на набор. И будем ли мы печатать, скажем, 10 тыс. экземпляров или 1 тыс.- на набор книги надо затратить одну и ту же сумму. Значит, это расход постоянный. И очень важно, чтобы его можно было разложить на максимально большое количество книг. Если набор стоит, скажем, 1500 руб. при тираже 10 тыс. экземпляров, на каждую книгу придется 15 коп. расхода на набор, а при тираже 1 тыс. экземпляров - 1 руб. 50 коп. Для сравнения укажем, что расход на бумагу непостоянный. Он прямо пропорционален тиражу - на 10 тыс. экземпляров надо израсходовать в 10 раз больше бумаги, чем на 1 тыс. экземпляров. Наличие постоянных расходов объясняет, почему при увеличении объема производства себестоимость единицы продукции снижается, почему массовое производство дает самую дешевую продукцию.

Из примеров, которые мы разобрали, можно сделать несколько выводов. Прежде всего любое техническое устройство мы должны оценивать экономически. А для этого надо знать, сколько стоит само техническое устройство и каких расходов потребует его работа. Причем эти данные интересны не сами по себе, а в сравнении. Далее очень важно, чтобы техническое устройство было использовано полностью, чтобы условия работы соответствовали его возможностям. Задача в том, чтобы для каждой конкретной цели и условий работы подбирать такую технику, которая была бы в данном случае наиболее целесообразной.

Кроме того, мы установили, что с увеличением объема выпускаемой продукции - будут ли то кубометры вынутой земли, экземпляры напечатанных книг или тонны выплавленной стали - себестоимость каждой единицы этой продукции снижается. Это говорит о выгодах массового производства.

Для того чтобы увеличить объем продукции, важно так организовать производство, чтобы каждое предприятие выпускало меньше различных видов продукции, но зато каждый вид - в массовом количестве. Сто лет тому назад на каждом машиностроительном заводе выпускали самые различные виды машин - и паровые двигатели, и стайки, и паровозы. Но по мере роста производства убедились, что выгоднее специализировать заводы на выпуске определенных видов машин. Появились специальные заводы, выпускающие автомобили, тракторы, велосипеды, турбины, электромоторы и т. д. Специализация производства выгодна, так как позволяет резко увеличить выпуск того или иного вида продукции, снизить ее себестоимость.

Повышать эффективность производства можно не только снижением затрат на выпуск продукции, но и улучшением качества, удлинением сроков службы изделия. Возьмем, например, автомобильные шины. Применение для шин новых видов синтетического каучука позволяет в полтора-два раза увеличить пробег этих шин. И стоимость шины можно раскладывать уже на большее количество перевезенного груза. Самих шин нужно меньше во столько раз, во сколько увеличился пробег каждой шины. Значит, и капитальных вложений для постройки новых шинных заводов нужно меньше.

Улучшение качества продукции имеет значение и для повышения надежности. Современная техника требует высокой надежности. Устройства, выполняющие ответственные функции, например, в самолете, ракете, ни в коем случае не должны отказывать в работе: ведь это могло бы привести к тяжелым последствиям. Но и экономически надежность выгодна. Она означает сокращение расходов на ремонт, а значит, и повышение экономической эффективности.

В нашей стране придается большое значение электрификации, химизации и автоматизации народного хозяйства. Эти направления развития техники дают огромный экономический эффект.

Приведем расчет по эффективности применения удобрений. Чтобы произвести 30-35 млн.т удобрений, нужных для получения дополнительно около 3 млрд. пудов зерна, необходимо

затратить 2 млрд. руб. А вместе с затратами на сооружение складов, изготовление тары для доставки удобрений и производство машин для внесения этих удобрений в почву - около 3,5 млрд. руб. Доход же государства от дополнительного количества зерна составит более 2 млрд. руб. в год. Это значит, что капитальные вложения в развитие производства минеральных удобрений окупятся за срок менее двух лет.

В 1980 г. Коммунистическая партия наметила произвести втрое больше тканей, чем в 1960 г. Это значит, что понадобится втрое больше и хлопка, и шерсти, т. е. при той же урожайности примерно втрое больше работников, втрое больше посевной площади, втрое больше скота. Для производства же синтетического волокна ничего этого не нужно, исходными материалами служат нефть и газ. Они же являются исходными и для производства пластмасс и синтетических смол, заменяющих металл, лес и многие другие виды материалов. Произвести все эти синтетические материалы стоит гораздо дешевле, чем производить «естественные» материалы. Как показали специальные расчеты, затраты труда на производство химического волокна в 6 раз меньше, чем на производство такого же количества природного волокна. Так что и здесь расходы на строительство химических заводов окупятся в короткие сроки.

Громадный экономический эффект дает электрификация народного хозяйства, причем она наиболее выгодна при сооружении мощных электростанций с крупными агрегатами: это даст возможность снизить затраты на каждый киловатт мощности электростанций и уменьшить себестоимость электроэнергии.

Весьма эффективна экономически и автоматизация производства. Чтобы определить степень этой эффективности, нужно сопоставить стоимость автомата с той экономией текущих затрат, которую он дает. Понятно, что, если автоматы слабо нагружены, их применение будет невыгодным.

Техника сегодняшнего дня

Перед нами картина гигантского по темпам и объему технического прогресса Советской страны.

На огромной территории разместились бесчисленные фабрики и заводы, шахты и рудники. В больших светлых цехах вытянулись в ряды автоматические линии. Операторы у пультов управления и наладчики внимательно следят за тем, как автоматы плавят, отливают, сверлят, режут, строгают, сваривают, шлифуют, проверяют, упаковывают и отправляют на склады подшипники, цепи для комбайнов, коленчатые валы, поршни автомобильных двигателей и многие другие изделия. Таких автоматических линий, цехов, даже заводов у нас уже немало. А в ближайшие годы станет еще больше.

Энергию заводам и шахтам дают гидроэнергетические, тепловые и атомные электростанции. Многие из них тоже работают автоматически. Лишь диспетчеры, находящиеся нередко за несколько сот километров от таких станций, контролируют их работу. Потоки электроэнергии автоматически направляются туда, где они всего нужнее в данное время.

И везде - новостройки, строительные краны, экскаваторы, путеукладчики. Мчатся в городах и селах автомобили-панелевозы, везут готовые детали домов. Жилые дома - на конвейере! Детали многоэтажного дома прокатывают на прокатном стане, а затем собирают за несколько недель. И заводы, и плотины теперь тоже строят из сборных железобетонных элементов.

Передовая техника и на полях страны. Тракторы, комбайны, культиваторы... Даже самолеты здесь работают. Без комплекса машин, без механизации невозможно сейчас обрабатывать и убирать урожаи с миллионов гектаров сельскохозяйственных угодий. Не справились бы люди без электродоилок, автопоилок, механизированной подачи кормов и с уходом за

ОН ВИДИТ НЕВИДИМОЕ

Однажды туристы шли походом по Подмосковью. И в полуобвалившемся заросшем окопе нашли солдатскую фуражку. Из-за рваной подкладки высовывался уголок конверта. В нем обнаружили листки письма. Но прочитать не смогли ни слова.

Находку передали в краеведческий музей. Оттуда письмо попало на исследование к ЭОПу. И всесильный ЭОП прочитал текст, который начинался так: «Здесь стояли насмерть...» А за этими скорбными словами шли фамилии солдат и офицеров Советской Армии, защищавших подходы к столице нашей Родины.

Что же это такое - ЭОП? Откуда у него чудодейственная сила? Полностью он называется так; электронно-оптический преобразователь. ЭОП действует вместе с микроскопом, когда нужно увеличить изображение. Все, что зафиксировано объективом ЭОПа, легко сфотографировать.

Аппарат ЭОП легок, он небольшого размера и без труда переносится в чемодане. Электронно-оптические преобразователи сейчас делаются в форме подзорной трубы или бинокля. В таком виде ЭОП еще удобнее.

многомиллионными стадами домашних животных.

По «кровеносным сосудам» страны мчатся поезда с грузами, вереницы автомобилей, плывут теплоходы. Буксиры-«толкачи», упершись «лбом», толкают баржи и плоты, которые в несколько раз больше их. Движением поездов управляют при помощи автоматики. Автоматы зажигают сигнальные огни на фарватерах рек, помогают машинистам, диспетчерам, пилотам... Тысячекилометровыми нитями протянулись нефте- и газопроводы. Они приносят сырье на химические заводы, топливо - на предприятия и в жилые дома. И тут нам помогают автоматы, которые регулируют потоки нефти и газа.

А в небе - громадные пассажирские лайнеры. Благодаря им из Москвы на Дальний Восток можно добраться за несколько часов.

И наконец, вершина успехов советской техники - ракеты, спутники, космические корабли, межпланетные автоматические лаборатории. Почему вершина? Да потому, что в них, как в линзе, сосредоточились вся мощь, все достижения современной техники. Здесь и металлургия - специальные сплавы, и химия - полимеры и горючее, и машиностроение - сверхмощные реактивные двигатели, и радиоэлектроника - миниатюрные полупроводниковые приборы, радиолокация, лазеры, и автоматика, и «думающие» машины... Все самое новое, самое передовое.

Вершина успехов современной техники - ракеты, искусственные спутники, космические корабли, межпланетные автоматические станции.

БУДУЩЕЕ

- ... Продолжается посадка в самолет, следующий рейсом в город Будущий!

Вы занимаете место в конвертоплане - аппарате, который взлетает и садится вертикально. Старт! Конвертоплан быстро набирает высоту

и переходит в горизонтальный полет. Но что это? Сзади вас нагоняет гигантская машина. Конвертоплан сближается с ней - и вот вы уже можете перейти на трансконтинентальный суперзвуковой воздушный лайнер.

Какой он огромный! Тысяча пассажиров разместилась в его комфортабельных салонах. Теперь понятно, зачем нужна была пересадка в воздухе. Ведь сам этот исполин не везде может приземлиться - ему понадобился бы слишком большой аэродром. Пассажиров, грузы, горючее сюда доставляют сравнительно небольшие и быстрые конвертопланы.

Час пути - и вы уже выходите из самолета у цели своего путешествия...

В город Будущий можно попасть и по воде. К услугам пассажиров скоростные лайнеры на подводных крыльях и подводные атомоходы, которым не страшны никакие штормы, никакая качка.

А вот сухопутный транспорт. Вдаль уходит линия железобетонной эстакады. Под ее колоннами то и дело мелькают серебристые «сигары»- вагоны подвесной дороги. Скорость их - несколько сотен километров в час. Такая дорога очень удобна не только за городом, но и в самом городе: она быстроходна, бесшумна, не мешает уличному движению.

По широким городским магистралям, пересекающимся на разных уровнях и окаймленным зеленью, мчатся потоки электромобилей. У одних электродвигатели получают ток от сверхъемких аккумуляторов, другие питаются от

высокочастотных электролиний, проложенных под землей. В любое место города вас быстро доставит и метрополитен, магистрали которого в несколько этажей протянулись под улицами, площадями, парками.

Дома из цветных пластиков, железобетона и стекла расположены просторно. Широкие окна обращены на восток, юг, запад. И всюду- сады и бульвары, зелень на балконах и плоских крышах.

В центре каждого микрорайона - торговый центр: магазины, бытовые мастерские, кафе. Тут, где много пешеходов,- движущиеся ленты тротуаров. А школы, клубы, театры и кинотеатры расположены в глубине парков - вдали от шумных улиц.

Квартиры просторные, с удобной встроенной мебелью. Полупроводниковые термоэлементы, поставленные вместо батарей водяного отопления, летом несут прохладу, зимой - тепло. Маленький, но мощный радиоприемник на микромодулях доносит музыку самых отдаленных станций. По размерам такой приемник свободно умещается в футляре наручных часов. На стене висит большой плоский экран. Это телевизор. Он цветной, объемный, стереозвуковой. Вся его электронная «начинка» помещается в небольшом утолщении внизу экрана.

КЛУБ ЮНЫХ КОСМОНАВТОВ

В иллюминатор видна голова космонавта. Герметически закрытый шлем, специальный «высотный» комбинезон. Космонавт проходит испытания в барокамере. Но что-то этот космонавт не похож ни на одного из прославленных «звездных» братьев. Совсем юное лицо. Кто же он? Ото школьник, член Ленинградского клуба юных космонавтов.

Да, есть такой клуб, и родился он в знаменательный день - 12 апреля 1961 г. В тот самый день, когда Ю. А. Гагарин совершил первый в истории человечества полет в космос. Ленинградский клуб юных космонавтов тоже первый в мире.

Клубом юных космонавтов заинтересовались многие взрослые ленинградцы - ученые, летчики, спортсмены, врачи. Друзья клуба предложили для занятий и тренировок ребят оборудование и лаборатории, аэродром и спортивные залы.

Юных космонавтов часто видят в лабораториях и спортзале Училища Гражданского Воздушного Флота. Они слушают лекции по физике и математике, астрономии и механике. Настойчиво тренируются на перекладине с резиновой маской, закрывающей глаза. Так проверяется способность к восстановлению равновесия. Взлетают к потолку на двух резиновых жгутах, прикрепленных к поясу. Так проверяются работа сердца, состояние пульса, дыхание. Старшеклассники осваивают реактивные самолеты. «Полеты» происходят без отрыва от земли, но обстановка как в полете. Проводятся тренировки в барокамере, где юные космонавты испытывают состояние человека, попавшего на верхнюю границу атмосферы.

Младшие часто занимаются в планетарии. Изучают звездное небо. Наблюдают за искусственными спутниками Земли.

Непременное условие для всех членов клуба - занятия спортом. Круглый год. Летом - туристские походы, гребля, плавание, прыжки с парашютной вышки. Зимой - коньки, лыжи, хоккей.

В своем «космическом» клубе школьники города Ленина усваивают сложную и разнообразную программу. Наиболее успевающим экзаменационная комиссия вручает диплом инструктора-космонавта детских и юношеских клубов.

Полетят ли когда-нибудь в космос члены необычного клуба? Может быть, да, может быть, и нет. Но овладение техникой космонавтики им пригодится, где бы они ни работали, окончив школу.

На кухнях - электроплиты с высокочастотными установками, которые любое блюдо готовят за несколько минут, кухонные электрокомбайны, полупроводниковые холодильники. Впрочем, кухнями мало кто пользуется - пищу отлично готовят автоматические фабрики-кухни.

Вдали от города видны гигантские куполообразные сооружения. Это термоядерная электростанция. В ее недрах стиснутая мощными магнитными полями мечется миллионноградусная плазма. Мощность такой станции - десятки миллионов киловатт. И нет здесь ни турбин, требующих тщательного наблюдения и ухода, ни генераторов. Не видно здесь и людей. Всеми процессами управляет «электронный мозг». В зависимости от требований главной диспетчерской он то увеличивает, то уменьшает выработку электроэнергии.

Промышленные предприятия размещены вдали от жилых кварталов, за широкой лесной полосой. Но тут совсем нет пыли, не дымят трубы котельных, домен и мартенов, не слышно шума работающих машин.

Автоматизированная техника проникнет и в шахты, на нефтепромыслы, на стройки. Комплексы автоматических машин будут обрабатывать поля, выращивать и снимать урожаи, ухаживать за домашними животными...

Мы попытались нарисовать - очень обобщенно, конечно,- картину будущего техники так, как мы ее представляем. В действительности она, возможно, будет во многом иной. Появятся совсем новые средства транспорта. Неузнаваемо изменится облик городов. Человечество освоит не только сушу, но и море - возникнут плавающие города... Нет границ человеческому творчеству, не будет пределов развитию техники!

Все, что говорилось здесь о будущем, еще не скоро станет настоящим. Но рождается оно уже теперь, каждый день и час - в исследовательских лабораториях, на испытательных стендах, в цехах наших заводов. Неустанная творческая мысль советского человека пишет все новые страницы в Книгу техники.

Уже многие приметы будущего мы видим сейчас. Взмывают к звездам космические ракеты. Атомные корабли бороздят океанские просторы, из фантазии в жизнь пришел лазер. Все новыми способностями удивляют нас электронно-счетные устройства. На «воздушной подушке» проносятся невиданные транспортные машины...

Могучая стартовая площадка для взлета к технике завтрашнего дня - химическая наука. Ее материалы и методы совершенствуют технику, рождают подлинную революцию во многих отраслях промышленности. С каждым днем растет, набирает силы «вторая природа», создаваемая химиками,- мир разнообразных веществ, которые дают конструкторам машин неограниченные возможности для совершенствования техники.

Все это - наше настоящее, наш замечательный сегодняшний день, в котором рождается еще более прекрасное будущее советского народа.

СОЮЗ ТЕХНИКИ И БИОЛОГИИ

Бионика... Это слово появилось совсем недавно. «Био» по-древнегречески значит жизнь. А что значит «бионика» ? Новая, самая молодая отрасль кибернетики. В ней используются для решения технических задач принципы работы и устройства органов живых существ. Вот несколько примеров.

Глаз лягушки так устроен, что воспринимает только необходимые объекты: насекомых для питания или нападающего врага. А глаз мечехвоста - есть такое морское животное - способен усиливать контрастность между краями наблюдаемого предмета и окружающим фоном.

Пользуясь этими данными, бионики создали прибор, схожий с главой лягушки мечехвоста. Такой электронный прибор может точно и четко следить за изображением на радиолокаторе даже при огромных помехах.

Или возьмем гремучую змею. У нее в углублении между глазами и ноздрями расположен специальный орган, сверхчувствительный к инфракрасным лучам. Он улавливает разницу температур в тысячную долю градуса. Поэтому змея находит жертву в кромешной тьме. А медузы предугадывают за много часов угрозу шторма. Используя эти способности медузы, бионики создали аппарат по «предсказанию» штормов за 14 часов до их наступления.

Если проследить за поведением дельфинов, легко установить, что они ищут рыбьи стаи гидролокационным способом и узнают, где какая рыба находится, за 3 км. Радиолокацией в инфракрасном диапазоне пользуются для розыска друг друга ночные бабочки и майские жуки.

Естественно, что аппарат, созданный по образу и подобию того, каким пользуются дельфины или ночные насекомые, станет чувствительнейшим радиолокатором.

Бионика пока еще в начале своего пути. Но первые шаги и первые успехи обещают большое будущее союзу техники и биологии.

МАШИНА - ОСНОВА СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКИ

ЧЕЛОВЕК И МАШИНА

Еще 10 лет назад, говоря о машине, мы имели в виду искусственное устройство, создаваемое человеком для замены его производственной функции с целью повышения производительности труда и его облегчения. Сегодня же машины заменяют не только производственные, но и интеллектуальные функции человека, а в некоторых случаях - и физиологические (см. статьи ' «Машины-математики», «Машины-переводчики», «Машина обучает», «Искусственные органы»). Машина перестала быть устройством,

лишь потребляющим энергию и выпускающим продукцию. Сегодня она еще и обрабатывает необходимую для производственного процесса информацию (см. ст. «Универсальный носитель информации»), т. е. выполняет функцию, которая до сих пор выполнялась только человеком. Однако сказанное выше еще не отражает главного направления современной научно-технической революции в производстве. Дело в том, что сейчас осуществляется переход от отдельной машины к автоматической системе

машин. Такая система представляет собой совокупность неразрывно связанных энергетических, транспортных, технологических, контрольно-управляющих и логических машин (см. статьи раздела «Автоматика»).

Прогресс в машиностроении связан не только с техническими науками. Огромную роль здесь играют математика, физика, химия.

Применение новых материалов, например, приводит к прогрессивной технологии изготовления изделий - к созданию автоматов, имеющих совершенно новые особенности. В некоторых случаях внедрение химических методов в обработку отдельных материалов и объектов позволит исключить промежуточные операции, например механическую обработку.

Не меньшее влияние на машиностроение окажет и использование таких, например, новых достижений физики, как мощные генераторы света - для обработки материалов, эффект взрыва - для получения заданной формы, полупроводниковые вентили - для замены передаточных механизмов и т. д.

А математика? Чтобы полностью решить задачу автоматизации, нужно преодолеть и еще один рубеж: разработать алгоритмы технологических процессов и процессов проектирования, т. е. математизировать эти процессы. Тогда вычислительные машины смогут помочь рассчитать данные о наиболее выгодных типах автоматов и автоматических систем.

В машинном царстве идет бурный процесс научно-технической революции. Революции, которая для далеких потомков наших будет не-

коей «точкой», «скачком», но которая для нас - ее современников и участников - именно процесс, еще ожидающий своего завершения. Тем не менее уже сегодня мы с известной степенью точности говорим об основном направлении этого процесса, о наших задачах и перспективах. Ведь, несмотря на то что научно-техническая революция в производстве охватывает поистине грандиозную сферу - гигантскую армию специалистов, сотни проблем, целые науки, этот процесс ни в коей мере не является «неуправляемым». Разумеется, не все можно предусмотреть: как известно, современная техника обгоняет даже самые дерзкие мечты фантастов. И все же прогресс в машинном царстве можно и нужно планировать, регулировать, координировать.

Что же принесет дальнейшее развитие технической революции людям Земли?

Не всегда в наши дни машина приносит радость человеку. Достаточно вспомнить многомиллионные армии безработных, умножающиеся по мере автоматизации производства в капиталистических странах. А машины, которые куют смертоносное оружие? Или сами несут его через моря и континенты в любую точку земного шара?

Но сама машина, конечно, здесь ни при чем. Все зависит от того, в чьих руках она находится. И мы, советские люди, смотрим в грядущее оптимистично. Ибо машина уже нигде не сможет стать врагом человека, когда на Земле воцарится Мир, Труд, Свобода, Равенство, Братство и Счастье.

ЧТО МЫ НАЗЫВАЕМ МАШИНОЙ

Машина. С этим словом каждый из нас знаком с раннего детства. Мы живем в мире машин. Они окружают нас дома, на улице и на работе. Их гул слышен на земле и под землей, на воде и под водой, в воздухе и даже в космосе.

От разнообразия, технического совершенства и количества машин зависят условия и производительность труда человека, благосостояние народа, сила и мощь государства. Машиностроение - основа современной техники, одна из самых важных отраслей промышленности.

Многим из вас, конечно, интересно узнать, как делают машины. Но прежде чем познакомиться с машиностроением, давайте ответим на вопрос: а что такое машина? Почему столько устройств, различных по назначению, конструкции и размерам, называют одним универсальным словом - машина? Да потому, что их объединяет одно общее свойство: все они выполняют какую-либо полезную работу. Это основной признак машины. Но его одного мало. Существует целый ряд устройств, которые хотя и выполняют полезную работу, однако машинами не являются.

Возьмем для примера две бритвы - электрическую и безопасную. Назначение у них оди-

наковое - резать волосы. Но электрическая бритва - машина. Она сама выполняет основную рабочую операцию - сама режет волосы. Человек только управляет ею. А вот безопасная бритва не машина, а всего лишь инструмент - простейшее орудие, с помощью которого человек сам совершает работу.

Еще пример. Обычная лопата - это инструмент, при помощи которого человек копает землю. Экскаватор служит для этой же цели. Но вы без колебаний назовете экскаватор машиной. И не ошибетесь, потому что экскаватор сам совершает полезную рабочую операцию, а человек только управляет им.

Значит, главное отличие машин от других устройств, выполняющих полезную работу, заключается в том, что машина сама совершает основные рабочие операции в отличие от орудий, с помощью которых работу совершает человек.

При этом машины могут быть самыми разными - в зависимости от того, какую работу они выполняют: и транспортными (самолет и трактор, электровоз и теплоход, автомобиль и велосипед), и энергетическими (турбина и двигатель внутреннего сгорания, электромотор и электрогенератор), и машинами-орудиями, или технологическими (подъемный кран и сеялка, металлообрабатывающий станок и печатная машина), и счетно-решающими (от простого арифмометра до современных электронных вычислительных машин). Но как бы все они ни отличались друг от друга, опытный глаз инженера всегда найдет в них вполне определенные общие черты.

Возьмем, например, настольный вентилятор, гигантский шагающий экскаватор и автомобиль. Прежде всего у каждого из них есть рабочий (исполнительный) орган, при помощи которого они выполняют полезную работу. У вентилятора рабочий орган - это небольшой пропеллер, у экскаватора - гигантский ковш, у автомобиля - колеса.

Рабочие органы нужно приводить в движение - значит, у машины должны быть двигатели. У вентилятора в корпусе спрятан маленький электрический моторчик, колеса автомобиля вращает двигатель внутреннего сгорания, а у шагающего экскаватора - более сорока двигателей. У других машин в качестве двигателя может быть дизель или газовая турбина - от этого дело не меняется.

Пойдем дальше. Движение от двигателя надо передать рабочим органам машины. Для этого

У каждой машины есть три основные части: двигатель (а), рабочий орган (6), передаточный механизм (в).

должны быть передаточные устройства (передаточные механизмы). Это может быть канатно-рычажный механизм, как у экскаватора, или сложные коробки перемены передач, как у автомобиля.

Вот мы и установили, что, как правило, машина состоит из трех основных частей: рабочего органа, двигателя и передаточного механизма. Правда, у некоторых машин, например у велосипеда, двигателя нет, он приводится в движение человеком. Но от этого велосипед не перестает быть машиной.

Конечно, работой каждой машины надо управлять. Значит, у нее должны быть ещё устройства управления: рычаги, штурвалы, педали, кнопки. Кроме того, машина может иметь автоматические программные устройства, в этом случае человеку не приходится непосредственно управлять ими, он только составляет для них программу и следит за их работой. Такие машины называются автоматами.

И наконец, каждая машина должна иметь какой-то остов, раму или станину, на которых крепятся все ее устройства.

УЗЛЫ И ДЕТАЛИ МАШИН

Рабочие органы

Устройство рабочих органов определяется прежде всего назначением машины, условиями и характером ее работы. Все остальные части - двигатели, передаточные механизмы, устройства управления- предназначаются для того, чтобы рабочий орган мог выполнять те движения и передавать те усилия, которые необходимы по роду возложенной на машину работы.

Возьмем, например, металлорежущие станки. Рабочие органы токарного станка - шпиндель, на котором установлен патрон для крепления детали, и суппорт, перемещающий резцы во время работы. Шпиндель с фрезой и подвижной стол для крепления и подачи детали - рабочие органы фрезерного станка. Рабочие органы землеройных машин - это ковш и ножи, при помощи которых они роют и перемещают землю. У врубовой машины рабочий орган - бар-цепь с резцами, которыми она подрубает угольные пласты. У ткацкого станка - челнок и ремизки, перемещающие нити основы. Рабочими органами различных турбин: гидравлических, паровых, газовых - служат их рабочие колеса.

А у электрических машин? Конечно, ротор и статор с обмотками. Именно в них происходит преобразование энергии движения в электрический ток (генераторы) или, наоборот, электрической энергии в движение (двигатели).

Острые лемехи плуга или тонкие диски лущильника являются рабочими органами этих сельскохозяйственных машин.

Обратимся к транспортным машинам. Их назначение - двигаться, перевозить грузы и пассажиров. Значит, их рабочим органом является движитель, заставляющий машину двигаться. У колесных машин - автомобилей, электровозов, троллейбусов - движителем служат колеса, но не все, а только те, которые соединены с двигателем и передают движение от двигателя всей машине. Движитель судов - гребной, а самолетов - воздушный винт. У реактивных самолетов движитель - это сопло двигателя.

Совершенствование машин в значительной степени связано с улучшением рабочих органов. Развитие техники и промышленности требует создания все более сложных и совершенных станков и машин. Нам, например, уже недостаточно простого сверлильного станка с одним шпинделем, и мы создаем станки, у которых рабочий орган - сразу десяток шпинделей со сверлами разных диаметров. Все они одновременно «вгрызаются» в тело детали, намного ускоряя работу. Нас уже не устраивают станки, которые могут выполнять какую-нибудь одну работу. Создаются станки со сменными рабочими органами - агрегатами. Заменил агрегат, и станок меняет свою «профессию».

Двигатели

Мы уже говорили, что машины бывают и без двигателей, велосипед например. Но таких машин в наше время становится все меньше и меньше. Применение двигателей даже в самых простых машинах облегчает труд человека, делает его более производительным.

Какие же двигатели применяются в современных машинах?

В технологических машинах главенствующее положение завоевали электрические двигатели. Во-первых, они устроены значительно проще, надежнее других двигателей и имеют более высокий к. п. д. Достаточно сделать пыле- и водонепроницаемый, взрывобезопасный корпус, и электрический двигатель сможет работать и в любом цехе, и в шахте, и в пыли, и под дождем, и даже под водой.

Во-вторых, электрические двигатели всегда готовы к работе и ими легко управлять даже на расстоянии. Нажатием кнопок вы пускаете двигатель, останавливаете его, меняете направление вращения. Двигатели постоянного тока, кроме того, позволяют плавно регулировать скорость их вращения (см. ст. «Переменный и постоянный ток в технике»).

В-третьих, что очень важно, электрические двигатели позволяют значительно упростить механизмы машин и улучшить их конструкцию.

Раньше станки на заводах приводились в движение с помощью приводных ремней. Неудобство и несовершенство такого привода не нуждаются в пояснениях. С появлением множества электрических двигателей различной мощности картина резко изменилась. Каждый станок получил свой двигатель. А часто и несколько, каждый из которых приводит в движение определенные части машины. Так, на-

В верхнем ряду: у электробритвы - ножи, у токарного станка - шпиндель и суппорт; в среднем ряду: у винтомоторных самолетов - винты пропеллера, у бульдозера - нож; в нижнем ряду: у распиловочного станка - дисковая пила, у швейной машины - игла и челнок.

Схема развития привода. Сначала один двигатель обслуживал много станков (а), затем каждый станок получил собственный двигатель, но система передачи от двигателя к рабочему органу оставалась сложной (б). Наконец, упростили и привод- двигатель приблизили к рабочему органу станка (в). А современные станки снабжены не одним, а несколькими двигателями (г).

пример, на гигантском карусельно-расточном станке установлено более 40 электрических двигателей. Такое же количество двигателей имеет шагающий экскаватор. А прокатный стан (см. ст. «Металл приобретает форму») «превзошел» всех: в прокате заготовки участвует более тысячи электрических двигателей различной мощности.

Электрические двигатели позволили создать современные высокопроизводительные машины, агрегатные станки, автоматические станочные линии и заводы-автоматы. Благодаря им появились удобный электрифицированный инструмент и разнообразные машины, облегчающие труд человека в быту.

На некоторых землеройных, грузоподъемных, дорожных и сельскохозяйственных машинах, которым приходится кочевать по полям и бездорожью, работать вдали от источников электрического тока, применяются двигатели внутреннего сгорания.

Несколько иное положение в мире транспортных машин. Здесь работают самые различные двигатели, в зависимости от требований, предъявляемых к машине (скорость, сила тяги), и от того, где она работает (на земле, в воздухе, на воде или под водой). При этом двигатели конкурируют, доказывая свои преимущества в борьбе за скорость, силу, экономичность.

В воздухе поршневые авиационные двигатели внутреннего сгорания быстро уступают место газотурбинным и реактивным. На железной дороге электровозы с электрическими и тепловозы с дизельными двигателями уверенно вытесняют паровозы с их несовершенны-

ми паровыми машинами. А газовая турбина уже начала «наступление» на тепловозный дизель.

На тяжелых грузовых автомобилях вместо бензиновых двигателей появляются мощные дизельные, уже давно успешно работающие на тракторах, судах, самоходных баржах. В городском транспорте соперничают электрические, бензиновые и дизельные двигатели.

Лишь в космосе пока один «хозяин» - ракетный двигатель.

Подробно с устройством и работой различных двигателей вы можете познакомиться, прочитав статьи «Двигатели и генераторы» и «Реактивные двигатели».

Передачи

Все двигатели создают вращательное движение, а рабочие органы машин совершают движение по самым разнообразным траекториям и с различными скоростями. Следовательно, пе-

редаточные механизмы должны не только передавать движение и усилие от вала двигателя исполнительным (рабочим) и вспомогательным органам машины, но и преобразовывать движение из одного вида в другой, изменять его скорость и направление.

Начнем с простого примера: нужно привести в движение водяной насос при помощи электрического двигателя. Рабочее колесо насоса должно вращаться с той же скоростью и в том же направлении, что и вал двигателя. В этом случае достаточно поставить насос рядом с двигателем и соединить их валы между собой. Это делается при помощи простых муфт.

Если в процессе работы необходимо разъединять машины на ходу, применяются более сложные, фрикционные или электромагнитные муфты. Во втором случае передача вращения происходит не за счет силы трения, как в первом, а за счет силы магнитного притяжения, возникающего при протекании тока по обмоткам муфты.

Иногда соединяемые части машин находятся на некотором расстоянии друг от друга и оси валов не совпадают. В этом случае используют вал с карданными шарнирами или гибкий вал (трос).

Следующая группа устройств для передачи вращательного движения - это ременные и цепные передачи. В отличие от предыдущих они позволяют получать различные скорости вращения. Скорости ведущего и ведомого валов в таких передачах связаны простой зависимостью:

скорость вращения ведомого вала = ( скорость вращения ведущего валаХдиаметр ведущего шкива): диаметр ведомого шкива

Иными словами, если мы хотим, чтобы ведомый вал вращался быстрее ведущего, мы должны поставить на нем шкив меньшего диаметра, чем на ведущем, и наоборот. Отношение диаметра ведущего шкива к диаметру ведомого называется передаточным числом. (Для цепной передачи диаметры шкивов в формуле надо заменить числом зубцов ведущей и ведомой звездочек.)

В некоторых машинах цепные передачи служат еще и частью рабочего органа. Например, ковши землеройной и зубья врубовой машин крепятся непосредственно на цепи и перемещаются вместе с нею.

Несмотря на то что ременные передачи наиболее просты, в машиностроении более широко распространены зубчатые передачи.

Муфты для передачи вращения: а - жесткая муфта; б - электромагнитная; в - фрикционная.

Виды передач (слева направо): ременная, текстропная, цепная.

Еле различимые глазом зубчатые колесики отсчитывают время в маленьких наручных часах, а гигантские зубчатые колесища диаметром в несколько метров помогают поднимать огромные щиты в шлюзах, поворачивать стрелы экскаваторов и подъемных кранов. Но для всех таких передач действительна одна и та же формула передачи скоростей. Она сходна с формулой ременных передач:

Зубчатые передачи (в этом вы можете убедиться из рисунка на стр. 49) допускают различное расположение валов, различные скорости и направления вращения.

В тех случаях, когда для изменения скорости вращения оказывается недостаточным передаточное число одной пары колес, применяют несколько пар зубчатых колес. Такой механизм, заключенный в отдельный корпус, называется редуктором.

Но для многих машин нужны передачи, позволяющие легко и быстро изменять скорость ведомого вала. Для этого в редукторе устанавливают несколько параллельно расположенных валов, на которых находятся зубчатые колеса с различным количеством зубцов. При помощи специальных устройств в зацепление вводят те или иные пары колес. Такие редукторы с изменяемым передаточным числом называются коробками скоростей или коробками передач.

Как бы хорошо ни были изготовлены зубья цилиндрических зубчатых колес, при их зацеплении неизбежно происходят удары, отчего

они быстро изнашиваются. Поэтому в передачах, испытывающих большие нагрузки, применяют простые косозубые и шевронные зубчатые колеса. Сцепление зубцов у таких колес происходит плавно, без ударов.

Следующий вид передач вращательного движения - червячная пара. Червячные редукторы могут иметь весьма большие передаточные числа. В подавляющем большинстве таких передач червяк является ведущим, а зубчатое колесо - ведомым.

Но передачей и изменением скоростей вращательного движения не исчерпываются задачи передаточных механизмов. Рабочие органы и вспомогательные устройства многих машин совершают возвратно-поступательное движение, а вал двигателя - вращательное. Поэтому существуют передачи, преобразующие вращательное движение в возвратно-поступательное, и наоборот.

Вот, пожалуй, и все основные виды механических передач движения, применяемые в современных машинах. Из их сочетаний в конечном счете состоит любой самый сложный передаточный механизм.

Чем больше совершенствуются машины, тем больше требований предъявляется к их механизмам. И не всегда механические передачи позволяют выполнить эти требования.

Как ни хороша, например, коробка скоростей, состоящая из зубчатых передач, она позволяет изменять скорость только ступенями, зависящими от передаточных чисел зубчатых колес, находящихся в зацеплении. А вот гидравлическая коробка скоростей обеспечивает плавное изменение скорости в широких пределах. Она состоит из масляного насоса и масляной турбины. Насос находится на ведущем валу, а турбина на ведомом. При

Виды зубчатых зацеплений: а - схема зацепления; б - прямозубая цилиндрическая передача; в - косозубая цилиндрическая; г - шевронная; д - внутреннее зацепление; е - коническая передача; ж - цевочная; з - червячная пара; и - мальтийский крест; к - эллиптические колеса; л - передача с неполным числом зубьев.

работе насос подает масло на лопатки турбины и заставляет ее вращаться. Если все масло из насоса идет на турбину, она вращается с максимальной скоростью. Но вот мы приоткрыли кран. Часть масла пошла в обход турбины, и скорость ее вращения уменьшилась. Чем больше открыт кран, тем медленнее вращается турбина. А если все масло будет проходить мимо турбины, она, конечно, совсем остановится. Следовательно, регулируя подачу масла, можно плавно изменять скорость вращения турбины. Такие гидравлические коробки скоростей уже применяются на металлорежущих станках, в автомобилях и других машинах. Появились уже и мощные магистральные тепловозы с гидравлической передачей, похожей на гидравлическую коробку скоростей.

У трактора-экскаватора «Беларусь» нет сложных механических передач от двигателя к ковшу. Двигатель приводит в движение только масляный насос, а масло, поступая под давлением в гидравлические цилиндры, заставляет рычаги совершать все рабочие движения.

Другая система передач работает на тепловозе. На нем установлен один мощный дизель. Можно было бы соединить вал дизеля с колесами тепловоза при помощи зубчатых передач. Но дизель - один, колес - много, и такая передача оказалась бы весьма сложной и ненадежной. Поэтому на тепловозе применена электрическая передач а. Рядом с дизелем установлен электрический генератор, а около колес подвешены электрические двигатели. Дизель вращает якорь генератора, генератор вырабатывает электрический ток, который приводит в движение двигатели, а вместе с ними и колеса.

Такую же электрическую передачу можно встретить и на крупных кораблях, в том числе и на атомоходе «Ленин».

Передачи, преобразующие вращательное движение в поступательное: а - ходовой винт; б - кривошипно-шатунный и кулачковый механизмы; в - кривошипно-кулисный механизм; г - зубчатая рейка; д - эксцентриковый механизм.

Опоры

Еще одна важная часть машины - опоры, обеспечивающие надежную работу вращающихся частей и деталей машины. Известно, что между поверхностями вала и отверстий, в которых он вращается, возникает трение. Оно препятствует вращению, нагревает металл и в конечном счете может привести к поломке машины. Как же бороться с трением?

Вспомните: волочить какой-либо тяжелый предмет по скользкой, мокрой глине значительно легче, чем по шероховатому асфальту. А если приходится волочить по асфальту, то лучше подкладывать под предмет какие-нибудь катки. На языке техники это значит, что уменьшить трение можно, заменив сухое трение трением скольжения или трением качения.

Опорные участки вала - их называют шипами или шейками - протачивают, шлифуют и помещают в специальные опоры - подшипники, которые разделяются на две основные группы: подшипники скольжения и подшипники качения.

Подшипники скольжения состоят из разъемного корпуса и вкладышей. При сборке вал кладется отшлифованными шейками на нижние половины вкладышей и покрывается верхними половинками вкладышей.

Делаются вкладыши из бронзы или специального сплава. Благодаря такому сочетанию трущихся материалов (черный металл вала по бронзе или другому сплаву) трение значительно снижается. Но этого мало. На внутренней поверхности вкладышей имеются бороздки, по которым растекается смазка. Как только вал начинает вращаться, он затягивает под шейки частицы масла. Постепенно между валом и вкладышами образуется масляная пленка, которая приподнимает вал, и он вращается, уже не касаясь поверхности вкладышей. Так сухое трение заменяется жидкостным.

Трение сильно уменьшилось, но не исчезло совсем. При больших скоростях даже трение жидкостного скольжения вызывает сильный нагрев подшипника. Его надо охлаждать, и эта обязанность также поручается маслу. В одних подшипниках устраивают масляную ванну, а на вал надевают кольца, которые, вращаясь, подают свежее масло из ванны на шейку вала. В другие непрерывно подают масло при помощи специальных насосов. Масло од-

новременно и смазывает трущиеся поверхности, и охлаждает их.

Как видите, обеспечить надежную работу подшипников скольжения не так-то просто: они требуют повседневного ухода.

Значительно надежнее и удобнее в эксплуатации подшипники качения. В таких подшипниках находятся стальные шарики или ролики, которые при вращении катятся по канавкам колец между вращающимся валом и неподвижной опорой. На преодоление трения в шариковом подшипнике тратится всего несколько тысячных долей общей нагрузки на вал. Поэтому смазка здесь только снижает трение шариков друг о друга или о сепаратор (металлическое кольцо с гнездами, разделяющими шарики между собой на равные расстояния). Задача охлаждения подшипника на нее не возлагается. Достаточно однажды смазать такой подшипник, и вы смело можете не открывать его до следующего ремонта машины.

Решая вопрос о том, какому виду подшипников отдать предпочтение в том или другом случае, надо учитывать также, что подшипники скольжения плохо работают при трогании с места, пока не успела образоваться масляная пленка (к тому же при резких толчках на валу эта пленка весьма легко нарушается). Подшипники качения, наоборот, хорошо работают при трогании с места. Но и у них есть недостаток: они плохо переносят очень большие нагрузки, когда давление на шарики или ролики оказывается чрезмерно большим.

Какие же подшипники применять для мощных авиационных двигателей, гигантских прокатных станов и других машин, валы которых испытывают очень большие и часто изменяющиеся нагрузки? Оказывается, ни те и ни другие. Для таких машин применяют специальные игольчатые подшипники, в которых между кольцами находятся обильно смазанные тонкие стальные иглы. Сначала такой подшипник работает как роликовый - иглы катятся по поверхности колец. При увеличении скорости вала иглы перестают катиться и вместе с маслом образуют внутреннее кольцо, которое скользит между стальными кольцами

Передачи в машинах: вверху - электрическая на тепловозе; внизу - гидравлическая в бульдозере.

Подшипники скольжения: а - обычные; б - с кольцами; в - сегментный опорный.

Подшипники качения: а - шариковый; б - шариковый опорный; в - роликовый; г - конический. Внизу справа - игольчатый подшипник ( д).

подшипника. Как видите, в игольчатом подшипнике сочетаются достоинства подшипников скольжения и подшипников качения.

Тормоза

Представьте себе, что произошло бы на улицах, если бы автомобили, троллейбусы и трамваи не имели бы тормозов! Не менее важны тормоза и для различных грузоподъемных и технологических машин.

Если в подшипниках трение было нашим врагом, с которым мы боролись всеми доступными нам способами, то в тормозах, наоборот, трение становится нашим помощником. Оно помогает нам замедлять скорость машины, удерживать ее от самопроизвольного движения.

Наибольшее распространение получили тормоза колодочного типа. На вращающемся валу машины находится стальной барабан. К нему при торможении снаружи или изнутри прижимаются колодки. Они сделаны из чугуна или другого материала, который в паре со сталью барабана имеет высокий коэффициент трения. Обычно колодки прижимаются к барабану с помощью рычагов усилием человека, электромагнитным устройством или сжатым воздухом.

В некоторых машинах тормозные колодки постоянно прижаты к барабану весом груза, подвешенного на рычаге, и отжимаются при помощи электромагнита только на время работы механизма. Такие тормоза называются грузовыми и применяются, например, в механизмах подъемных кранов для предотвращения самопроизвольного опускания подвешенного на крюке груза.

Часто можно встретить в машинах ленточные тормоза. У них вместо колодок к барабану прижимается охватывающая его лента, покрытая специальным усиливающим трение материалом.

В некоторых механизмах для предотвращения самопроизвольного вращения ведомого вала применяют так называемую самотормозящую червячную передачу. Она отличается от обычных червячных передач меньшим углом наклона винтовой линии червяка. Благодаря этому трение, возникающее между зубцами колеса и червяком при передаче движения от колеса к червяку, превышает крутящее усилие и надежно препятствует вращению механизма. А вращение от червяка к колесу передается свободно.

Тормозные устройства: а - ленточное; б - колодочное; в - храповое.

В ряде случаев, например в ручной лебедке, применяют храповое устройство. Оно состоит из храпового (зубчатого) колеса и стопорящего приспособления («собачки»). «Собачка» допускает беспрепятственное вращение храпового колеса в одну сторону и надежно стопорит его при попытке повернуть в обратную.

На электрифицированном транспорте - на электровозах, в поездах метро, в троллейбусах, помимо механического торможения, применяют еще и электрическое. Установленные на этих машинах электрические двигатели могут работать и в качестве электрических генераторов. Когда машинисту необходимо замедлить движение состава, он переводит двигатели в генераторный режим. Раньше электрический ток двигал состав, а теперь, наоборот, движущийся по инерции состав приводит в движение ставшие генераторами двигатели и вырабатывает электрический ток. На это затрачивается энергия движения, и состав замедляет ход.

Соединения

Детали, из которых состоят машины, соединены между собой различными способами. Одни детали соединяют «раз и навсегда», другие так, чтобы их можно было разобрать и собрать вновь, и третьи так, чтобы они могли двигаться относительно друг друга.

Неразборные соединения выполняют пайкой, запрессовкой одной детали в другую, с помощью заклепок, но чаще всего газовой или электрической сваркой (см. ст. «Как сваривают металл»).

Разборные соединения, как правило, выполняют при помощи болтов с гай ками или винтов. А чтобы они не развинтились от вибрации, применяют дополнительные стопорящие детали: контргайки, различные фигурные и пружинящие шайбы и шплинты.

Есть и иные типы разборных соединений. Шкивы, зубчатые колеса и другие вращающиеся детали соединяют с валом при помощи выступов, равномерно расположенных на одной из деталей, которые входят в пазы другой (шлицевое соединение). Эти же

Виды соединений деталей: а - сварка; б - клепка; в - винтовое соединение; г - с помощью болтов; д - соединение шурупами; е - шлицевое; ж - шпоночное соединение.

детали часто крепят и с помощью шпонки, входящей одновременно в вал машины и в соединяемую с ним деталь (шпоночное соединение). Иногда такие соединения делают так, что позволяют, когда это нужно, перемещать вращающиеся детали вдоль оси вала. В этом случае они относятся к подвижным соединениям.

Устройства управления

Как мы уже установили, основные рабочие операции машина выполняет сама, а человеку остается только управлять ею. Для этого каждая машина имеет различные рукоятки, штурвалы, рычаги, педали и кнопки, при помощи которых человек включает двигатели, направляет режущий инструмент и т. д.

Увеличение габаритов и мощности машин, повышение скорости их движения и работы привели к тому, что физических возможностей человека стало недостаточно, чтобы управлять современными сложными машинами.

На помощь человеку пришли созданные им специальные системы управления - гидравлическая (масло под давлением), пневматическая (сжатый воздух) и электрическая. Такие системы называются сервоприводами.

За примерами нам далеко ходить не придется. Водитель «Москвича», нажимая педаль тормозов, передает усилие через тормозную жидкость на колодки тормозов и останавливает машину. Усилия шофера тем более недостаточно, чтобы остановить тяжелый, 25-тонный самосвал, а тем более 65-тонный. Педаль в самосвале та же, что и на «Москвиче», но, нажимая ее, шофер только открывает клапан, а останавливает машину сжатый воздух, который поступает в тормозные цилиндры.

Моторист легкого катера усилием своих рук, поворачивая штурвал, свободно разворачивает катер в любом направлении. А управлять рулями большого корабля помогают мощные электрические машины.

Лопатки направляющего аппарата турбин Братской ГЭС имеют высоту более трех метров, весят несколько тонн и прижимаются друг к другу гигантским давлением воды. Попробуй, поверни их! Но машинисту и не надо этого делать самому. Ему помогает масляная система регулирования турбины.

Многие сложные машины имеют комбинированные системы управления. Например, вы нажали кнопку, и электрический ток открыл электромагнитный клапан на маслопроводе. Масло поступило в сервомотор, и он повернул тяжелые лопасти турбины.

Эти системы управления не только умножили силы человека, но сделали его как бы «многоруким». Они позволили одному человеку управлять сразу несколькими машинами и механизмами.

Спуститесь в метрополитен. К платформе подходит поезд. Одним поворотом рукоятки при помощи сжатого воздуха машинист открывает и закрывает все двери вагонов. Конечно, осуществить такое управление при помощи простых рычагов и троса было бы невозможно.

Машины становятся все более производительными, скорость их работы увеличивается, и человек уже «не успевает» следить за ними и управлять их работой. Появляются устройства, которые управляют машинами без участия человека. В этом - будущее машиностроения (см. статьи раздела «Автоматика»).

Станины и ходовое оборудование

В заключение рассказа о деталях машин осталось только добавить, что «жизнь» у машин бывает разная. Одни спокойно стоят в просторном цехе завода, другие кочуют с места на место, а третьи для того и сделаны, чтобы всегда быть в пути.

КАК ГНУТЬ ДЕРЕВО

Если нужны детали малого сечения (тонкие рейки, бамбуковые детали и т. п.), то их гнут над пламенем свечи, спиртовки или другого подходящего источника огня. Сгибать надо постепенно, по мере прогревания изгибаемого места.

Однако излишняя задержка вредна - древесина в месте сгиба пересыхает и делается хрупкой. Чтобы этого не произошло, нужно слегка смочить деталь водой.

Более толстые детали сначала пропаривают в кипящей воде, а уж затем гнут. Время нахождения заготовки в кипящей воде зависит от ее толщины и колеблется от 5 до 40 минут.

Можно гнуть и фанеру, только ее намачивают в холодной воде.

Чтобы согнутая деталь сохранила приданную ей форму, ее закрепляют на некоторое время в нужном положении.

К первым относятся почти все станки. Они, как правило, имеют массивную станину, которая устанавливается на фундаменте. Это делает машину устойчивой, невосприимчивой к тряске и вибрации, что особенно важно, когда требуется высокая точность в работе.

Кочующие машины, а к ним относятся подъемно-транспортные, землеройные, горные, сельскохозяйственные и др., имеют различное ходовое оборудование. Оно предназначено только для передвижения машины в процессе работы и, как правило, не рассчитано на «далекие путешествия».

Тяжелые экскаваторы, например, перевозят с одной стройки на другую на специальных многоколесных прицепах, а шагающие экскаваторы, башенные подъемные краны и многие

другие машины перевозят в разобранном виде. Правда, есть экскаваторы и подъемные краны, установленные на ходовом оборудовании транспортных машин: на автомобиле, на железнодорожной платформе или барже. Эти машины могут передвигаться своим ходом на большие расстояния.

Подъемные краны, установленные на ходовое устройство автомашин, как правило, имеют еще специальные домкраты, которые при работе крана упираются в землю. Они придают крану большую устойчивость и, предохраняя ходовую часть (рессоры и шины) от перегрузок, повышают грузоподъемность крана.

Что же касается ходовой части транспортных машин, то с ней вы подробно познакомитесь, прочитав статьи раздела «Транспорт».

КАК СОЗДАЕТСЯ МАШИНА

КБ получает задание

Представьте себе, что какой-нибудь конструктор решит в одиночку создать, скажем, новую модель современного самолета или автомобиля. Придумать-то он, возможно, и сможет. Но между «придумать» и «создать» лягут долгие, долгие годы. А за это время машина успеет устареть.

Ведь создать машину - это значит сделать точные расчеты каждой из тысяч ее деталей, это значит вычертить и размножить в необходимом количестве множество чертежей. И это еще только на бумаге, а о создании в «металле» мы и не говорим!

Конечно, при современном состоянии техники и стремительном прогрессе такие темпы никуда не годятся. Теперь над созданием машины трудятся не изобретатели-одиночки, а целые конструкторские бюро - КБ. А то и несколько КБ сразу. Например, агрегаты для крупных гидроэлектростанций разрабатывают два главных специализированных конструкторских бюро: одно конструирует турбину, другое - электрический генератор. И при этом они пользуются множеством двигателей, приборов и аппаратов, созданных в других конструкторских бюро.

зированные КБ. При этом КБ может быть самостоятельной организацией и обслуживать несколько заводов данной отрасли, а может быть отделом завода и разрабатывать машины только для своего предприятия.

Человек не может быть специалистом сразу во многих областях техники. Поэтому внутри конструкторских бюро тоже существует разделение труда. Над созданием одной машины работают сотни людей различных профессий. Двигатели разрабатывают конструкторы двигателей, автоматические устройства - автоматчики. Специалисты по приводу конструируют редукторы, коробки скоростей, электрики подбирают электрооборудование и составляют электрические схемы.

Но вся их работа подчинена единой задаче - созданию новой машины, и возглавляет ее главный конструктор, который отвечает за всю машину в целом.

В просторных залах КБ рядами расположились большие наклонные доски со сложными чертежными приспособлениями и специальным освещением. В библиотеке собраны тысячи различных справочников, каталогов, таблиц, альбомов и чертежей. В специальных помещениях установлены счетно-решающие машины, светокопировальные и фоторепродукционные установки для размножения чертежей. Цехи опытного производства подготовлены для изготовления моделей и образцов новых машин.

Коллектив конструкторского бюро готов к выполнению новых заданий. Но кто же должен выдать эти задания? Кто определит, какую именно машину нужно разрабатывать, каким требованиям она должна отвечать?

Может быть так: ученые в научно-исследовательских институтах открыли новый способ

обработки деталей, например с помощью ультразвука. Нужно спроектировать станки и машины. В этом случае авторы технических требований - ученые и новая машина будет результатом содружества науки и конструкторской мысли.

Или другой случай: какому-либо заводу понадобилось так изменить станок, чтобы его можно было встроить в единую автоматическую линию. Но приемы и режимы обработки сохраняются прежними. Или, например, нужно сконструировать электродвигатель иной мощности и размеров, чем уже имеющиеся. Здесь нет необходимости в научных исследованиях, и вся работа ложится на плечи конструкторов. А технические требования составляет завод-заказчик.

В технических требованиях оговорены: назначение новой машины, условия, в которых она будет работать, ее производительность, размеры, вес и т. д. На основе этих требований КБ составляет техническое задание на разработку и согласовывает его с заказчиком. Это главный документ для конструкторов. Он определяет цели и задачи их работы. С него и начинается создание новой машины.

Машина обретает контуры

Прежде всего надо очень тщательно изучить уже существующие подобные машины, обязательно побывать на заводах, где их делают и где они работают. Это позволит конструктору избежать промахов и ошибок, выявившихся в процессе эксплуатации машин, полнее учесть опыт и требования рабочих и инженеров-производственников.

Не менее важно заглянуть в смежные отрасли техники и посмотреть, нет ли там удачных

конструкторских решении, которые можно использовать в своей работе, надо также поинтересоваться зарубежным техническим опытом.

Когда материал собран и изучен, появляются первые наброски и эскизы будущей машины, которые лишь в общих чертах определяют ее устройство.

Пожалуй, больше всего хлопот доставляет разработка механизмов машины. При этом все время надо помнить: чем больше в машине движущихся деталей, тем она сложнее, тем меньше ее надежность, тем больше энергии будет бесполезно затрачиваться двигателем на преодоление трения в опорах и сочленениях. Поэтому разработка механизма начинается с составления так называемой кинематической схемы (схемы движения) машины, на которой условными значками обозначены все движущиеся элементы. По ней рассчитывают траектории и скорости движущихся деталей, определяют возникающие в них усилия, подбирают шкивы, зубчатые колеса, червячные зацепления и многое другое. Кинематические схемы составляют в нескольких вариантах и путем сравнения и расчетов выбирают лучшую.

Вот теперь можно приступить к подробной разработке деталей машин. Но, оказывается, разрабатывать заново нужно далеко не все детали - многие из них изготовляются различными заводами в большом количестве. Однако может возникнуть вопрос: подойдут ли эти готовые детали к новым машинам?

ГОСТ и нормали

На многие изделия и детали, изготовляемые промышленностью в массовых количествах, в нашей стране существует Государственный общесоюзный стандарт (ГОСТ). Это документы, предусматривающие для каждого стандартного изделия совершенно определенные размеры, форму, материал и многие другие характеристики. При этом может «гостироваться» не все изделие, а только его части. Например, форма электрической вилки может быть любой, но длина, толщина штырей и расстояние между ними должны быть выдержаны строго по ГОСТу. И тогда любая вилка подойдет к любой штепсельной розетке.

В машиностроении установлены ГОСТы на профили металла (см. ст. «Металл приобретает форму»), на его химический состав, на подшипники, электрические двигатели, муфты, канаты, трубы и многие другие изделия. Есть также стандарты на резьбовые соединения, зубчатые передачи, напряжение электрического тока в сети и т. д. Конструктор не может, например, создать электрическую машину, рассчитанную на напряжение 100 в. Такого напряжения в технике нет. Он обязан сделать машину на стандартное напряжение - 110, 127, 220 или 380 в.

Каждый машиностроительный завод или группа заводов какой-либо отрасли промышленности имеет свои нормали. Это технические документы, предписывающие применение только определенных профилей металла, размеров штампов, способов обработки. Нормали устанавливают и размеры крепежных деталей: гаек, болтов, шайб и т. д. И когда конструктор разрабатывает машину, он обязан придерживаться тех нормалей, которые приняты на заводах-изготовителях. Чем больше будет в новой машине стандартных и нормализованных приборов,

Значит, надо обратиться к конструкторам - пусть изобретут пылесос...

аппаратов и деталей, тем проще машина будет в изготовлении, дешевле, надежней в эксплуатации. Ведь стандартные и нормализованные детали выпускаются в большом количестве, и, следовательно, они дешевле, их можно легко достать и в случае повреждения заменить.

Взаимозаменяемость и допуск

Однако новую машину, конечно, невозможно создать только из стандартных изделий и деталей. Многие узлы и детали нужно конструировать заново. Но и в этом случае конструктор обязан придерживаться определенных требований. Прежде всего требования взаимозаменяемости деталей. Это значит, что детали от одной машины должны свободно подходить к другим машинам того же типа. Например, все детали к велосипеду «Орленок» должны подходить к любому велосипеду этой марки. Это достигается, с одной стороны, путем использования уже известных нам стандартных или нормализованных размеров соединений, а с другой - применением системы допусков.

Возьмем, например, валик, который должен входить в отверстие втулки. Конструктор при расчетах указывает для валика и для отверстия втулки одинаковый, так называемый номинальный диаметр. Но при изготовлении деталей выдержать этот размер абсолютно точно не удается. В результате не каждый валик войдет в каждое отверстие, и детали окажутся невзаимозаменяемыми.

Чтобы этого не случилось, конструктор в чертежах на сопряженные детали должен указать допуски, т. е. допустимые отступления от размеров. Валик можно выточить точно по размеру или немного меньше, а отверстие - точно по размеру или чуть больше. И если допуски будут выдержаны, детали окажутся взаимозаменяемыми - любой валик войдет в любое отверстие. Это, конечно, очень простой пример. Но, правильно применяя систему допусков, можно добиться взаимозаменяемости сложных деталей и целых узлов машины.

Унификация деталей и типизация машин

Каждой отрасли народного хозяйства нужно много различных машин. Количество видов машин непрерывно возрастает. А каждый новый вид машины требует времени и средств на его разработку и изготовление. Нельзя ли сократить эти затраты?

Мы только что говорили о взаимозаменяемости деталей одинаковых машин. Но ведь можно ив разных машинах использовать одинаковые детали и даже целые узлы. Скажем, для ряда близких по конструкции металлорежущих станков применить одинаковые коробки передач, ходовые винты, зажимы, штурвалы, рукоятки, программирующие устройства и т. п. Такие узлы и детали называются унифицированными.

Теперь представьте себе цех завода, в котором установлено 10 токарных станков и 10 фрезерных. И вот этому цеху поручили работу, при которой заняты все 10 токарных станков и только 5 фрезерных. Через полгода пришел новый заказ. Теперь оказались полностью загруженными 10 фрезерных и 5 токарных станков.

Ясно, что такое использование станочного парка невыгодно. Как же быть?

Здесь на помощь приходит типизация машин. Это значит, что конструктор, разрабатывая машину, предназначает ее для выполнения не одного вида работ, а нескольких. Для этого он создает сменные типовые узлы - агрегаты. Например, агрегатный металлообрабатывающий станок имеет несколько сменных агрегатов: токарный, сверлильный, фрезерный, шлифовальный. Таким образом, достаточно сменить агрегат - и цех получит новый станок. А в сельском хозяйстве находят широкое применение самоходные шасси, позволяющие по мере необходимости навешивать различные сельскохозяйственные орудия. Это тоже пример агрегатной машины. То же самое можно сказать о некоторых видах экскаваторов, которые путем замены рабочих органов или ходовой части можно подготовить к выполнению различной работы.

Из чего делают машины

Можно смело сказать: нет ни одной машины, изготовленной из одного какого-либо материала. И чем сложнее машина, тем больше различных материалов используется для изготовления ее деталей. Какой материал выбрать для детали? Этот вопрос конструктор должен решить, исходя прежде всего из ее назначения и условий, в которых ей придется работать.

Возьмем, к примеру, какой-либо металлорежущий станок. Его станину надо сделать тяжелой и монолитной, чтобы станок был устойчивым и не вибрировал при работе. Ее изготовляют из чугуна. Но чугун - хрупкий металл и не выдерживает ударных нагрузок. Все движущиеся части (валы, шестерни, шпиндели, суппорт и т. д.) делают из стали. Для очень ответственных деталей, подвергающихся большим нагрузкам, в отдельных случаях используют специальные легированные стали высокой прочности и износоустойчивости.

Зато для насосов, предназначенных для перекачки каких-либо химических растворов или кислот, эти материалы непригодны: они подвержены коррозии. В этом случае надо использовать нержавеющую или кислотоупорную сталь, фарфор или пластические массы.

Вы конструируете электрическую машину, например трансформатор. Какие вам нужны материалы? А вот какие: для сердечника - трансформаторная сталь с особыми магнитными свойствами, а для электрических обмоток - медь, хорошо проводящая электрический ток.

Самолет должен быть по возможности легким, но в то же время и прочным. Если взять один из самых легких металлов - алюминий, будет выполнена только первая задача. Поэтому применяют алюминиевые или магниевые сплавы: их прочность в 8 раз выше, чем у чистого алюминия. А вот для обшивки космического корабля и эти материалы непригодны: они не выдерживают высоких температур. Здесь на помощь приходят титановые сплавы.

Глубоко под землей работает турбобур (см. статьи раздела «Как добывают полезные ископаемые»). Его долото, вращаясь, сокрушает породу. Но и само изнашивается. Чтобы сменить долото, приходится вынимать всю «цепочку» труб, длина которой достигает 3-5 км. Ясно, что быстро изнашивающееся долото здесь

не годится. Поэтому его изготовляют из сверхтвердых сплавов или алмазов.

Условия взаимной работы деталей тоже влияют на выбор материала. Нельзя сделать и вал, и вкладыши подшипника скольжения (см. ст. «Опоры») из стали. Такой подшипник не будет работать: сталь по стали «не скользит». Надо вал сделать из стали, а вкладыши подшипника - из бронзы или из специального сплава - баббита. А если для смазки вместо масла применяется вода, вкладыши подшипника надо сделать из пластических масс. Цилиндры автомобильного двигателя сделаны из стали, а поршневые кольца делают из мягкого чугуна, чтобы при работе не стирались стенки цилиндра.

Но машина должна быть еще и технологичной, т. е. удобной для изготовления (см. ст. «Что такое технология»). Это тоже связано с выбором материалов. Возьмем, например, корпус редуктора. Его можно сделать и из чугуна, и из стали. На чем же остановиться? Выбор делает технология - попробуйте выточить из целого куска стали деталь такой сложной конфигурации. Сколько потребуется труда, различных станков, сколько лишнего металла будет превращено в стружку! Такую деталь надо отливать из чугуна - просто, удобно и почти никаких отходов.

При выборе материала конструктор обязан постоянно думать о стоимости машины. Прежде чем окончательно принять решение, он должен несколько раз проверить: а нет ли более дешевого материала с требуемыми свойствами.

Надо сказать, что сейчас у конструкторов почти неограниченный выбор материалов. Там, где не подходит металл, они обращаются к пластмассам. Это не случайно: сейчас созданы пластмассы, которые и прочнее, и легче, и дешевле

стали. Мало того, они обладают такими качествами, которых нет у металлов, например прозрачностью, способностью пропускать невидимые лучи, устойчивостью против коррозии. А самое главное - пластмассы очень легко обрабатывать. Нагреванием и давлением из них можно получать детали любой формы, не требующие последующей обработки.

Пользуются конструкторы-машиностроители и железобетоном, который применялся раньше только в строительстве. А теперь из него делают станины для тяжелых станков.

Как видите, различные материалы начинают теснить металлы. Но металлурги не сдаются. Они создают все новые и новые способы изготовления деталей. Один из интереснейших - металлокерамический, т. е. прессование деталей из металлических порошков (см. ст. «Порошковая металлургия»). Этот способ позволил конструкторам проектировать детали сложнейшей конфигурации из различных металлов и сплавов.

При выборе материалов конструктор не должен забывать и о тех возможностях, которые дает ему применение тех или иных способов металлопокрытий и термической обработки (см. ст. «Защита металла»). Например, закалка концов вала повысит его прочность и износоустойчивость; хромирование, никелирование, кадмирование и другие покрытия позволят защитить деталь от коррозии, сделать ее красивой.

Надежность и долговечность

Конечно, хорошо, когда внешний вид машины радует глаз (см. ст. «Техника и эсте-

Подходящий двигатель для пылесоса тоже нашли среди готовых изделий...

тика»). Но надежность машины в работе - более важное качество.

Надежность машины складывается из двух основных моментов: прочности конструкции и четкости работы механизмов. Казалось бы, выбирая наиболее прочные материалы, увеличивая размеры и сечение деталей, конструктор может создать «сверхпрочную» машину, которая выдержит любую нагрузку. Но такое решение будет неверным. Оно приведет к излишней затрате материалов и труда на их обработку, к увеличению веса и размеров машины. Может случиться и так, что «сверхпрочная» машина окажется неуклюжей и непригодной к работе. Значит, к вопросу прочности надо подходить более разумно. Безусловно, все детали машины должны быть рассчитаны на ту нагрузку, которую им придется выдерживать при работе, но наиболее ответственные из них должны иметь определенный запас прочности. И величина этого запаса определяется прежде всего назначением детали и последствиями в случае ее поломки.

Возьмем для примера обыкновенный стальной трос. С его помощью раздвигают занавес перед экраном в кинотеатрах, поднимают грузы на подъемных кранах и людей в кабинах лифтов и т. д. Что произойдет, если оборвется трос занавеса? Ничего особенного - занавес раздвинут вручную. При обрыве троса подъемного крана упадет груз, и это может причинить серьезный ущерб. И уж совсем недопустимо, чтобы оборвался трос пассажирского лифта. Кроме того, в кабину лифта иногда заходит пассажиров больше, чем положено. Поэтому, конструируя пассажирский лифт, конструктор обязан применять тросы, способные выдержать нагрузку в пять раз больше расчетной. Иными

словами, конструктор должен в данном случае предусмотреть пятикратный запас прочности.

Значительно труднее обеспечить четкость работы всех механизмов машины. И эта трудность тем больше, чем машина сложнее. Следовательно, конструктор должен стремиться к простоте кинематической и электрической схем машины. Чем меньше движущихся и трущихся деталей, чем меньше электрических контактов, тем легче обеспечить их четкую работу.

Подчас работа машины зависит от работы не очень важных на первый взгляд ее деталей. Если, скажем, засорится фильтр бензопровода в автомобиле, то двигатель заглохнет и машина постепенно остановится. А если прекратится подача топлива или смазка в двигателях большого скоростного самолета - это грозит катастрофой. Следовательно, конструктор должен оценить значение каждого узла и последствия его повреждения и, если надо, предусмотреть установку резервных устройств.

С другой стороны, многие мелкие неисправности, возникающие в машинах во время работы, не принесут вреда, если их вовремя заметить и устранить. Поэтому, создавая, например, гидравлическую или паровую турбину для электростанции, необходимо предусмотреть соответствующие контрольно-измерительные приборы и устройства, своевременно сигнализирующие о возникших ненормальностях в работе машины.

Если все эти условия выполнены, машину можно считать надежной. Но как долго она будет такой? Вечных машин, конечно, не бывает: даже самые прочные детали рано или поздно изнашиваются, даже самый крепкий металл устает и разрушается. Но разные детали работают в различных условиях. Станина станка,

например, во время работы стоит неподвижно, а шпиндель непрерывно вращается. Разумеется, изнашиваться они будут неодинаково. В каждой машине есть группа деталей, которые изнашиваются значительно быстрее, чем другие. Следовательно, одним из способов продления срока службы машины и сохранения ее надежности является своевременная замена быстро изнашивающихся деталей и целых узлов.

Исходя из назначения машины и условий ее будущей работы, конструктор должен определить время надежной работы этих деталей, сроки замены, а также обеспечить возможность заменять их удобно и быстро. При этом в ряде случаев с целью повышения надежности машины такая замена производится задолго до износа механизма. Так, авиационные двигатели снимают с самолетов после определенного времени их работы, даже если они в хорошем состоянии. А на судах и наземных машинах они работают в несколько раз дольше.

Мы говорили о том, что конструктор должен в новой машине использовать возможно больше деталей и приборов, уже выпускаемых промышленностью. Но и к этому вопросу надо подходить очень внимательно.

Представьте себе, что конструкторское бюро разработало, а завод изготовил сложную электронно-счетную машину. Все в ней хорошо продумано, и завод сделал все возможное, чтобы машина была надежной. В этой машине завод применил электронные лампы, изготовленные на другом заводе. И завод электронных ламп в свою очередь сделал свои лампы тоже добротными и установил им большой срок службы, скажем тысячу часов. Но мы не учли одного обстоятельства. Дело в том, что в счетной машине пять тысяч ламп. Через некоторое время

лампы начнут выходить из строя, и постепенно вероятность порчи ламп составит до 5 штук в час! Разве такую машину можно считать надежной? Поэтому создатели машин пошли по другому пути: они стали применять в электронно-счетных устройствах вместо ламп более надежные полупроводниковые приборы и тем самым повысили надежность работы всей машины в целом.

Конечно, нельзя всю ответственность за надежность и долговечность машины возлагать на конструкторское бюро. Не менее важную роль играет и завод-изготовитель. Высокое качество используемых материалов, правильность изготовления деталей, строгое соблюдение технологии их обработки, точность сборки и общая культура производства - обязательные условия высокого качества машины.

Разумеется, надежность работы машин во многом зависит и от обращения с ней в эксплуатации. Машина требует внимания и бережного отношения. У одного велосипед служит несколько лет, а у другого приходит в негодность за одно лето.

Нельзя забывать и о том, что повышение надежности и долговечности не дается даром - оно неизбежно ведет к увеличению стоимости машины. До каких же «пределов» следует увеличивать надежность, а следовательно, и стоимость машины? Ответ на этот вопрос должны дать экономические расчеты.

В одном случае, например, надо определить, что выгоднее: сделать дорогую машину, которая будет безотказно работать десять лет, или машину подешевле, которую через пять лет заменить другой, более совершенной? В другом - сравнить, что больше: затраты на изготовление дорогих, но надежных машин или

убытки от простоев из-за частых ремонтов более дешевых машин? В третьем - учесть значение этих машин в работе других машин, цеха или завода в целом. На основании этих расчетов определяется экономически целесообразная степень надежности и долговечности новых машин. Но в том случае, когда от надежности машины зависит здоровье и жизнь людей, вопросы ее стоимости отступают на второй план.

КБ сдает заказ

Таким образом, конструктивное решение любой детали определяет в конечном счете надежность всей машины. Ни высокое качество материала, ни отличная обработка не смогут впоследствии сделать деталь хорошей, если она плохо сконструирована.

Чтобы найти правильное конструктивное решение своего замысла, конструктор должен не только хорошо знать свое дело и иметь большой опыт, но и обладать очень важным для его профессии качеством - конструкторским воображением. Без него конструктор не творец, а ремесленник, только повторяющий то, что уже сделано другими. Он не сможет сделать ценный вклад в развитие техники.

Удачное и оригинальное конструктивное решение приходит не сразу. Потребуется много дней, а может быть, и ночей напряженного умственного труда; понадобятся консультации с другими конструкторами, учеными, производственниками; придется не раз съездить на предприятия, провести не один опыт, испортить десятки листов бумаги, прежде чем будет найдена интересная конструкция какого-либо узла. Но хороша ли она?

На помощь приходят экспериментальные цехи и лаборатории. Там по эскизам изготовляют макет узла или детали и тщательно проверяют правильность расчетов и решений конструктора.

Наконец все разработано. Эскизы превратились сначала в технический проект, а затем в подробные чертежи. По ним будет изготовлен один или несколько опытных образцов машины. При этом будущая машина продолжает совершенствоваться. По мере изготовления опытного образца всегда обнаруживаются недочеты в конструировании, ошибки в чертежах. Появляется желание что-нибудь изменить и улучшить. Ну что же, это еще можно сделать.

И вот опытный образец готов. Ему предстоит «тяжелая» жизнь. На нем будут проверять, соответствует ли машина техническому заданию, оправдает ли она надежды конструкторов и заказчиков. Если это станок, на нем будут обрабатывать всевозможные детали с различными и самыми тяжелыми режимами резания. Если это автомобиль, ему придется пройти не одну тысячу километров по бездорожью, преодолевая крутые подъемы и спуски. Если это самолет, то опытная рука летчика-испытателя заставит его делать в воздухе головокружительные фигуры, летать в дождь и туман, взлетать с различных аэродромов. При этом у испытателей, да и у самих конструкторов всегда найдутся новые замечания и претензии к машине или к ее отдельным узлам и деталям.

Наконец, все выявленные дефекты устранены. В чертежи внесены уточнения, их размножили и подготовили для передачи заводам, где будут изготавливать новые машины.

Большой и многодневный труд по проектированию новой машины завершен. Теперь

Вот машина и готова. Теперь уборка пойдет куда быстрее.

заводы-изготовители обязаны точно воспроизвести то, что разработали конструкторы.

Но инженеры и рабочие, которые будут изготовлять детали новых машин, находятся в разных цехах и даже на разных заводах. Поймут ли они замыслы конструкторов, сумеют ли сделать единое целое - машину? Конечно, поймут: ведь в общем деле их направляет и объединяет единый для всех язык техники - язык чертежей. Замысловатые линии, значки и цифры чертежей понятны инженерам и рабочим всего мира.

Чертеж - язык техники

Почему же инженерам и техникам понадобился специальный язык чертежей, почему они не смогли обойтись обычными рисунками?

Вот на рисунке дом. Он изображен так, как его увидел художник. Всем ясно - это дом. Но точно построить его по такому рисунку трудно. Мы не знаем истинных размеров стен, окон и дверей здания. Измерить их на рисунке невозможно: линии стен, крыши потеряли на нем параллельность, а их размеры уменьшаются по мере удаления от наблюдателя.

Чтобы построить дом или изготовить машину, нужен другой рисунок, составленный с соблюдением определенных законов и правил. На нем должны быть видны действительные размеры деталей, их взаимное расположение; должно быть указано, из чего они сделаны и как обработаны. Вот такой рисунок и называется чертежом.

Для изображения какого-либо предмета на чертеже пользуются определенными приемами, называемыми проектированием

предмета на плоскость. А полученное изображение называют проекцией предмета. Самый простой пример проекции - это тень предмета, получаемая при его освещении. Но надо помнить, что размеры и конфигурация тени будут соответствовать истинным размерам предмета только в том случае, если лучи света строго параллельны и падают на плоскость проекции точно под прямым углом. Такая проекция называется прямоугольной или ортогональной. Это основа для составления чертежей.

Чтобы инженеры всех стран мира делали чертежи одинаково, установлен единый способ проектирования предметов и определенное расположение проекций на чертежах.

Возьмите тетрадку, разверните ее так, чтобы получился прямой угол, и поставьте на чистый лист бумаги. У вас получился угол, образуемый тремя взаимно перпендикулярными плоскостя-

Чтобы построить дом, нужно сначала сделать его чертеж. Это тем более необходимо при создании крупных промышленных сооружений, машин, приборов, сложного технологического оборудования.

ми. Поместите в этот угол любой предмет, ну хотя бы пресс-папье, и изобразите его методом прямоугольной проекции на каждый из трех сторон угла. Теперь разверните тетрадь и положите ее на стол. Все три стороны угла оказались совмещенными в одной плоскости. Это и есть чертеж предмета в прямоугольных проекциях (см. стр. 66).

Но нас интересует не только внешний вид предмета, но и его внутреннее устройство. А чтобы изобразить на чертеже элементы внутреннего устройства предмета, нужно знать правила и законы начертательной геометрии.

Мало того, многие предметы различной формы проектируются одинаково на одну, а иногда и на две плоскости проекции. Следовательно, нужно уметь правильно выбрать число проекций, чтобы легко отличить один предмет от другого. Для очень сложных предметов приходится чертить все шесть проекций. Но иногда и по шести проекциям трудно представить себе общий вид предмета. Тогда прибегают к условному объемному рисунку предмета - так называемой аксонометрической проекции.

Очень большое значение имеют различные вспомогательные линии, которые в ряде случаев позволяют понять чертеж без дополнительных проекций. Например, на проекциях тел вращения (шар, цилиндр, конус и т. д.) и отверстий всегда наносят осевые линии. Не меньшую роль играют штриховые линии, обозначающие на чертеже невидимые с данной стороны элементы детали (отверстия, выступы, фаски). Но иногда не помогают и осевые и штриховые линии. Тогда приходится делать разрезы, сечения, вырывы и обрывы, которые дают возможность более подробно и точно изобразить устройство детали, узла или целого механизма. Сечение и разрезы штрихуются тонкими косыми линиями.

Не всегда можно изобразить деталь в натуральную величину. Чаще приходится ее уменьшать или увеличивать, указав масштаб изображения на чертеже. Например, масштаб 1 : 1 означает, что деталь изображена в натуральную величину, 1:2 - уменьшена в 2 раза, а 5 : 1 - увеличена в пять раз.

Чтобы не загромождать чертеж лишними линиями, в некоторых случаях прибегают к упрощенным изображениям. Надо, скажем, сделать чертеж болта или какой-либо детали, имеющей резьбу. Изобразить точно проекцию сложной винтовой линии резьбы очень трудно, да и не нужно. Ведь резьба нарезается при помощи специального инструмента, который сам при-

Только при прямоугольной проекции размеры и конфигурация тени будут соответствовать истинным показателям предмета.

дает ей необходимый профиль и размеры. Поэтому на чертеже только отмечают участок, на котором должна быть резьба, и ставят условный знак. Например, «М 8». Это означает, что на детали надо нарезать метрическую резьбу с наружным диаметром 8 мм. Таким же образом поступают с зубчатыми колесами.

Когда вычерчены все необходимые проекции детали, разрезы и сечения, надо проставить ее

Трудно представить себе форму предмета по проекциям а. Но осевые линии б подсказывают, что изображен цилиндр с выточкой. Чертеж в отличается от чертежа г только отсутствием двух тонких штриховых линий на вертикальной проекции. Но предметы, изображенные на этих чертежах, совсем разные.

действительные размеры, но так, конечно, чтобы они не загораживали основных линий чертежа и чтобы их было легко читать. Справа от основного размера пишут допуски (см. ст. «Взаимозаменяемость и допуск»). Например, подпись «29 + 0,5» означает, что при изготовлении детали этот размер должен быть не больше 29,5мм и не меньше 28,5мм.

В штампе чертежа специальными обозначениями указывают материал, из которого изготовляется деталь. Например, «Ст. 45». Это значит, что деталь надо изготовить из конструкционной стали, содержащей около 0,45% углерода.

Обработать деталь можно по-разному. Можно проточить ее резцом, который оставит бороздки, легко ощутимые рукой. А можно отполировать так, что она будет блестеть как зеркало. Чистоту обработки поверхностей обозначают треугольником и цифрами. Например, надпись «∇6» означает поверхность 6-го класса чистоты по ГОСТу.

Но вот детали готовы. Теперь их надо собрать в узел механизма. А для этого нужен другой чертеж, на котором были бы указаны взаимное расположение деталей и условия сборки. Такой чертеж называется сборочным.

Детали можно собирать по-разному. Например, колесо, надетое на ось, может качаться, может вращаться свободно без качаний или туго поворачиваться на оси. А если надеть нагретое колесо, то, когда оно остынет, повернуть его на

Для более точного изображения сложных деталей приходится делать их разрезы.

Резьбу на чертежах не вычерчивают, а условно изображают штриховыми линиями и ставят ее обозначение. Только для обозначения специальной резьбы на проекции детали делают вырыв и дают точные размеры резьбы.

На чертежах зубчатых колес не надо чертить зубцы: достаточно указать наружный диаметр колеса, число зубцов и модуль зацепления.

оси станет очень трудно или просто невозможно. Все это тоже указывается на чертежах особыми обозначениями - посадками.

Для удобства пользования сборочными чертежами в его правом углу над штампом помещают спецификацию - перечень всех деталей, входящих в изображенный узел. Указывают также их количество и материал, для обозначения которого на чертеже применяют специальные условные изображения. В сборочных чертежах обязательно должен быть изображен еще и общий вид полностью собранной машины.

Над составлением чертежей работает много инженеров, техников и чертежников. И все они строго придерживаются Государственного общесоюзного стандарта (ГОСТ) на чертежи. В нем предусмотрено все: размер бумаги и штампа, толщина линий, шрифт, расположение проекций, правила выполнения разрезов и сечений, масштабы и т. д. И если чертежи составлены правильно, их поймут на всех заводах.

ЧТО ТАКОЕ ТЕХНОЛОГИЯ

Технология машиностроения - наука о способах изготовления деталей машин, а также сборки их в узлы и готовые машины. Само слово «технология» происходит от двух греческих слов: «техне» - мастерство и «логос» - наука. Однако под словом «технология» понимают не только науку, но и практику, т. е. все те процессы в производстве, которые изменяют свойства, форму или внешний вид изделия. Эти процессы называют технологическими. Способы и последовательность их осуществления отражают в чертежах, записывают в инструкциях и т. д. Часто такие описания тоже называют технологией. Технологические процессы разрабатывают инженеры-технологи. Правильно разработанная технология позволяет с малыми затратами выпускать больше хороших изделий.

Различают технологию механическую и химическую. Механическая - изменяет преимущественно формы и частично физические свойства обрабатываемого предмета, а химическая ведет к изменению состава, строения и свойств вещества в результате химических реакций. К механической технологии относится, например, обработка резанием, к химической - получение пластических масс и т. д. Часто бывает трудно разграничить области механической и химической технологии, так как они либо совмещаются, либо сочетаются. В машиностроении преимущественно применяется механическая технология.

Современная техника дает технологам разнообразные способы для обработки одной и той же детали. Какой же из них выбрать? Конечно, самый быстрый, дешевый и такой, при котором качество деталей будет наилучшим.

Деталь и ее чертеж, выполненный в трех проекциях по правилам машиностроительного черчения.

Общий вид цеха, оформленного согласно законам технической эстетики.

способом обработать кольцо шарикоподшипника. В этом случае очень важна высокая производительность: подшипники необходимы в автомобилях, тракторах, комбайнах, самолетах, тепловозах, велосипедах, станках, прокатных станах, двигателях. И технолог начинает рассуждать... Можно взять металлический пруток определенного диаметра, отрезать от него кусок нужной длины, установить на токарный станок, обработать поверху и вырезать сердцевину - получится кольцо. Токарную обработку можно выполнить также на револьверном и на прутковом автоматах. А автоматы для этого существуют различные - одношпиндельные и многошпиндельные. Все перечисленные станки отличаются друг от друга производительностью. На токарном станке выточка кольца из прутка займет 11,66 минуты, на револьверном - 7,46 минуты, на одношпиндельном полуавтомате - 1,43 минуты, на четырехшпиндельном автомате - 0,53 минуты (см. ст. «Обработка металлов резанием») .

Разумеется, надо выбрать четырехшпиндельный автомат. Тогда на изготовление той же партии деталей потребуется меньше станков, меньше станочников, а значит, и меньше заводских площадей. Обработка будет дешевле. Но нельзя ли ее еще удешевить? Трижды подумает об этом технолог. Почему, в самом деле, для изготовления кольца взят пруток? Ведь из него приходится вырезать сердцевину. На это тратится время, расходуется мощность станка, инструмент, переводится в стружку много металла. И технолог откажется от прутка, он выберет трубу.

Но не всегда технолог выбирает самые производительные машины. Ведь они, как правило, и самые дорогие. Если план выпуска деталей большой, то расходы на приобретение такого оборудования оправданы. А если приходится обрабатывать небольшую партию, то технолог откажется от автомата. Он выберет токарный станок. Причем технологи подсчитали, что, если изготовить меньше 300 подшипников, выгоден однорезцовый токарный станок, а если больше 300 - многорезцовый.

Возьмем другой пример - обработку болтов. Их выпускают в огромном количестве - миллионы штук в год только на одном заводе. На токарном станке 1 штуку можно сделать в 4 минуты, а на многошпиндельном автомате - 18 штук в 1 минуту, т. е. в 72 раза больше. И все

Чем производительнее станки, тем меньше их потребуется для изготовления заданного количества деталей, а следовательно, меньше рабочих и заводских площадей. Вверху цифрами показано необходимое количество станков, внизу - количество рабочих. В середине - диаграмма показывает, как уменьшается размер необходимых площадей при внедрении новой техники.

же технолог не возьмет многошпиндельный автомат: оказывается, обработка резанием тут вообще не годится.

Отвлечемся несколько от обработки наших болтов. Дело в том, что с быстрым развитием обработки металлов резанием все больше дает о себе знать ее главный недостаток - значительные отходы металла в виде стружки. Это приводит к тому, что технологи стремятся вообще заменять обработку резанием другими процессами, и прежде всего точным литьем (см. ст. «Металл и форма»). Но у отливок есть один весьма серьезный недостаток: сравнительно низкая прочность. Поэтому технолог пока избегает применять литье для деталей, требующих большой прочности. Например, не делают литым шатун автомобильного двигателя, который передает усилия от взрыва газов в цилиндре на коленчатый вал. Существует другой способ изготовления деталей машин, который обладает преимуществом литья, но не имеет его недостатков. Это штамповка. Она также дает по сравнению с резанием небольшие отходы. А прочность штампованных деталей достаточно высока.

Теперь вернемся к нашим болтам. Если их делать на токарных станках, то с каждого болта в стружку отойдет 340 г. Допустим, завод выпускает в год 100 тыс. машин. Допустим, что в машине тысяча деталей и с каждой из них отходит

Слева показано, сколько получается отходов металла, если обрабатывать болты на металлорежущих станках, а справа - на кузнечно-штамповочном оборудовании. Номерами 1 - 4 показана последовательность операций при этом прогрессивном способе обработки.

в стружку 340 г металла. В год отходы составят 340 X 1000 X 100000=34 тыс. т! Автомобиль «Москвич» весит около тонны. Значит, только из этих отходов можно было бы изготовить 34 тыс. автомобилей! Как же согласиться на обработку болтов резанием, даже если она выполняется на самых высокопроизводительных автоматах! Поэтому технолог для изготовления болтов выберет кузнечно-штамповочное оборудование, причем возьмет высокопроизводительный автомат, который будет давать 400 штук в минуту, а отходы с одного болта составят всего 14 г. Потери же при изготовлении резьбы в обоих случаях примерно одинаковы.

Но иногда ни резание, ни литье, ни штамповка не позволяют технологу осуществить необходимую обработку. Например, нужно получить отверстие очень малого диаметра (1 -2 мм). Пытались такие отверстия сверлить. Неприятностей это причинило множество: при наличии малейшего дефекта в металле сверла ломались. А из такого отверстия обломок сверла не вытащишь. В твердых же материалах отверстия таких диаметров совсем нельзя просверлить.

Значит ли это, что подобные отверстия вообще получать невозможно? Конечно, нет. Несколько лет назад в нашей стране, а затем и в других странах был разработан совершенно новый способ обработки металлов - электроэрозионный.

Передовой технолог - это специалист, который всегда недоволен существующей технологией. Он убежден, что всегда можно найти более совершенные способы обработки. И он ищет новое. Но технолог не отказывается и от старых технологических процессов, а всегда старается найти в них новые возможности.

Вот, например, пайка. Это один из старейших технологических процессов, известный еще в древнем мире. Пайка всегда считалась кустарным процессом, пригодным лишь для мастерской по ремонту предметов домашнего обихода. Казалось бы, к чему она на современном заводе, выпускающем большое количество машин? Но технологи сумели автоматизировать пайку, построили для нее высокопроизводительные конвейерные печи. В результате один рабочий может за смену спаять много тысяч деталей. Так на автомобильных заводах паяют трубки радиаторов: за одно погружение в печь, за 1 - 2 минуты, сразу скрепляют между собой несколько сотен трубок.

Как удалить ржавчину

Ржавую деталь можно опустить в соляную или серную кислоту, где ржавчина, конечно, растворится. Однако вместе с ней будет растворяться и сам металл. Чем же защитить поверхность металла от растворения? Для этого имеются особые вещества - ингибиторы, добавление которых в кислоту предохраняет металл от растворения, но не лишает кислоту способности растворять ржавчину. Один из таких ингибиторов - уротропин, который можно купить в любой аптеке. Одной таблетки уротропина (0,5 г) достаточно на литр раствора. Можно в качестве ингибитора использовать картофельную ботву. В стеклянный или фарфоровый сосуд положите листья картофельной ботвы (свежие или засохшие). Затем залейте листья вровень 5-7-процентным раствором серной или соляной кислоты и перемешайте. Через 15-20 минут можно положить в раствор стальную деталь, имеющую ржавчину.

Свести ржавчину с различных железных изделий можно при помощи специального состава, состоящего из парафина и керосина. Приготовляется состав следующим образом: мелко наструганный парафин насыпается в бутылку (приблизительно до ее половины), после чего в нее доверху наливается керосин. Бутылка должна стоять в теплом месте, пока парафин растворится. Затем полученным составом покрывают ржавые места на изделии и через сутки вытирают жесткой тряпкой или бумагой.

Этот же состав хорошо предохраняет от ржавления. Насухо вытертые и покрытые им железные вещи могут лежать, не ржавея, многие месяцы.

Технология развивается быстро, вместе с техникой. Вот, к примеру, в 20-х годах, чтобы обработать за час 108 деталей автомобильного двигателя, требовалось 162 станка. Теперь один станок обрабатывает в час 137 таких деталей. Новые машины - новая технология!

При разработке технологического процесса технологи исходят из требований конструкции (получение изделий нужного качества), программы завода (получение необходимого количества изделий) и требований экономики (минимальная стоимость изделия). Но технология при этом тоже предъявляет свои требования: конструкция должна быть такой, чтобы при изготовлении изделия можно было применить экономичные технологические процессы, механизировать и автоматизировать все производственные операции.

Так технологи в содружестве с конструкторами и учеными развивают и совершенствуют технику. Так разрабатывается новая технология, девиз которой - больше, дешевле, лучше!

СКОЛЬКО СТОИТ МАШИНА

На велосипедах ездят сотни миллионов людей. Часто можно видеть, как рабочий едет на велосипеде на завод, домашняя хозяйка - за покупками, колхозник - в поле. Современный велосипед для всех - привычная вещь. А вот другой велосипед. Он хранится в одном из ленинградских музеев. У него тяжелая кованая рама, а колеса - как у телеги: с толстыми спицами и грубыми стальными ободьями. Педали сидят прямо на оси переднего колеса, как у детского трехколесного велосипеда. Музейный велосипед весит вдвое больше нынешнего, а ездить на нем очень тяжело и неудобно. На неровной дороге эту машину так трясет, что в свое время она получила нелестное прозвище «костотряс». Но даже и такой он был очень дорогим, и на нем изволил кататься наследник престола Российской империи, будущий царь Александр III. Велосипед был выписан из-за границы специально для него.

Дорогой велосипед был царской забавой. Дешевый, он стал доступен всем. Совершенно ясно, что цена его для нас не безразлична. А цена других машин? Их на свете великое множество, но только очень немногие из них мы с вами покупаем для себя. Так не все ли нам равно, сколько стоят эти машины, которых мы никогда не купим?

Нет, не все равно! Оказывается, что цена каждой машины имеет значение и для нас. Мы не покупаем машин, которые работают на заводах. Но мы покупаем, например, гвозди. И стоят эти гвозди очень дешево. За гривенник продавец отвешивает целую горсть. А ведь еще сто пятьдесят лет назад за горсть гвоздей можно было получить барана.

Почему гвозди были такими дорогими? И почему они стали такими дешевыми?

Дорогими они были потому, что их делали вручную. Мастер-гвоздарь накалял на горне железо, рубил его на кусочки и из каждого кусочка выковывал гвоздь. Это была очень тяжелая и кропотливая работа. А дешевыми гвозди стали, когда для их изготовления придумали специальную машину. Она разматывает моток толстой стальной проволоки, отрубает кусок, делает на одном конце шляпку, на другом - острие. Готово! Гвоздь летит в ящик, за ним - второй, третий, десятый, сотый - глазом не уследишь! И чем дешевле машины на гвоздильных заводах, тем дешевле обходятся гвозди.

Дешевые машины - это дешевое мыло и спички, ткани и обувь, мебель и посуда, книги,

коньки, радиоприемники и все другие вещи, которые делают на заводах и фабриках. Нужно, чтобы и в сельском хозяйстве тоже работало как можно больше машин и чтобы они были дешевыми. Дешевые сельскохозяйственные машины - это дешевый хлеб, дешевые овощи, картофель, хлопок, сахарная свекла.

Сто пятьдесят лет назад за горсть гвоздей можно было получить целого барана!

До сих пор мы все время говорили: чем дешевле машина, тем дешевле обходится то, что она делает. Но действительно ли это так и почему именно? Чтобы ответить на эти вопросы, вернемся к нашему примеру - к изготовлению гвоздей. Сколько они должны стоить заводу? Плановый отдел завода составляет расчет стоимости тонны гвоздей. Выглядит этот расчет примерно так:

1. Сырье - стальная проволока.......14 руб.
2. Смазка для машин и другие материалы ... 1 «
3. Топливо................2 «
4. Электроэнергия............5 «
5. Заработная плата рабочих и служащих .. 12 «
6. Амортизационные начисления....16 «
Итого за тонну....50 руб.

Все ли вам понятно в этом расчете? Вот, например, сырье. Ясно, что раз проволока израсходована на изготовление гвоздей, то в стоимость гвоздей должна войти и стоимость проволоки. То же самое со смазкой, топливом, электроэнергией. Рабочим и служащим, конечно, тоже надо платить. Ведь это их труд превратил проволоку в гвозди. Но вот что такое амортизационные начисления? Что это за 16 руб., откуда они берутся?

Чтобы сделать одну тонну гвоздей, нужны стальная проволока и смазка для машин, топливо и электроэнергия, нужен труд рабочих и служащих. Износ машин тоже надо учитывать. Все это входит в стоимость гвоздей.

Оказывается, именно в них «сидит» цена машины. За счет амортизационных начислений погашают износ машин. Ведь машина, которая делает гвозди, постепенно изнашивается. Допустим для примера, что за свою жизнь она может сделать тысячу тонн гвоздей. А стоит машина 2 тыс. руб. Значит, каждая тонна гвоздей уносит с собой частицу жизни сделавшей ее машины, и стоит эта частица 2 руб.

Есть на заводе и другие машины (в первую очередь энергетические и подъемно-транспортные), и их стоимость таким же образом постепенно переходит в стоимость гвоздей. В амортизационные начисления входит погашение стоимости здания завода и проведенных к нему водопроводных труб, электрических кабелей, телефонных проводов и подъездных дорог, погашение стоимости ограды, подсобных строений и всякого другого заводского имущества.

Итак, чем машина дешевле, тем дешевле обходится сделанная ею вещь. А от чего зависит стоимость самих машин? Ответить на этот важный вопрос будет теперь не очень сложно. Расчет стоимости машины выглядит примерно так же, как уже знакомый нам расчет стоимости тонны гвоздей. Только цифры здесь будут крупнее: ведь машина обходится дороже, чем гвозди. Вот, например, расчет стоимости трактора:

1. Сырье, полуфабрикаты, готовые детали. . 650 руб.
2. Смазка для станков и другие материалы. . 2 «
3. Топливо................5 «
4. Электроэнергия..............25 «
5. Заработная плата рабочих и служащих. . 450 «
6. Расходы на администрацию и управление : 25 «
7. Амортизационные начисления.......843 «
Итого за один трактор .... 2000 руб.

Мы хотим, чтобы трактор был дешевле. Посмотрим же, на чем здесь можно сэкономить.

Пункт первый - сырье, полуфабрикаты, готовые детали. Сталь и чугун, алюминий и медь, свинец и пластмассы, подшипники, фары, свечи, провода, пружины для сиденья и многое другое - все это нужно расходовать на каждый трактор как можно экономнее. Кроме того, большое значение имеет цена материалов: чем дешевле чугун и алюминий, тем дешевле трактор.

То же самое можно сказать о второй, третьей и четвертой статьях расчета. Дешевая нефть, из которой делаются смазочные масла, дешевые уголь и электроэнергия - все это снизит цену на трактор и в конце концов на нужные нам продукты.

Такой же результат дает и экономия расходования смазки, топлива, электроэнергии.

Стоимость сырья и деталей, смазки, топлива и электроэнергии плюс заработная плата, плюс расходы на администрацию, плюс определенная часть стоимости постепенно изнашивающихся машин - все это равняется стоимости одного трактора.

Пункт пятый - заработная плата рабочих и служащих. Денег уходит немало. Но как их сэкономить? Может быть, снизить зарплату: платить рабочему не 100 руб. в месяц, а 50? Капиталист обязательно постарался бы сделать именно так. Для нас этот способ, конечно, никак не годится. Ведь главная цель нашей экономики - наиболее полно удовлетворять растущие материальные и культурные потребности трудящихся, в том числе тех рабочих, которые делают тракторы.

Но есть другой путь экономии. Зарплата может оставаться прежней, зато завод увеличит выпуск тракторов. Скажем, раньше он выпускал в месяц 10 тыс. этих машин, а станет выпускать 15 тыс. Тогда та же самая зарплата того же числа рабочих разложится на большее количество тракторов. Каждый рабочий и служащий получит столько же, сколько и раньше, но на каждый трактор придется не 450 руб. зарплаты, а только 300 руб. Вот этот путь нам подходит. Но только каким образом увеличить выпуск тракторов?

Наше производство растет и совершенствуется на основе новейшей техники. Мы заменяем устаревшие машины новыми, более производительными. Вместо десяти станков, на которых работали десять рабочих, мы ставим одну автоматическую станочную линию, обслуживаемую одним рабочим. Деталей делается больше, а зарплаты расходуется меньше. Освободившиеся же рабочие руки будут использованы в других местах.

Каждое новое приспособление, придуманное инженерами или самими рабочими, должно снижать расход заработной платы на один трактор. Но - не удивляйтесь! - не всякое усовершенствование может оказаться выгодным для производства, рентабельным.

А то можно, например, придумать быстродействующую автоматическую машину, которая делала бы трубы для океанских судов. Каждые пять минут - готовая труба! Хорошо? Да нет, не очень. Ведь океанских судов различных типов строят не так уж много. Скажем, одно судно в неделю, а то и в две. Вот и получится, что машина будет включаться только на пять минут в неделю. А стоит такая машина очень дорого. И раз труб выпускается мало, придется в стоимость каждой трубы включать большую сумму амортизационных начислений, чтобы погасить стоимость дорогой машины.

Статья шестая - расходы на администрацию и управление. В расчете стоимости гвоздей мы этой статьи не выделяли, она была «спрятана» в заработной плате. В действительности же эта статья особая, и на ней тоже можно кое-что сэкономить. Можно сократить штаты заводоуправления. Можно и здесь механизировать некоторые виды труда. Вот хотя бы расчеты. Десятки бухгалтеров считают целыми днями, чтобы определить, сколько заработал каждый рабочий. А электронно-счетная машина сделает это за несколько часов, причем машиной управляет один специалист.

Но, конечно, такую машину можно внедрять тоже только там, где для нее много работы. Иначе деньги, затраченные на ее покупку и установку, не окупятся. Есть еще одна возможность экономии по этой статье. Если даже сумма расходов на администрацию и управление останется прежней, но выпуск тракторов увеличится, то и в этом случае на каждый трактор расходов придется меньше.

НЕСКОЛЬКО СОВЕТОВ ТЕМ, КТО СОБИРАЕТСЯ ОКРАШИВАТЬ ДЕТАЛЬ

При окрашивании кожи или сгибающихся деталей нитрокрасками нужно на каждые 100см³ краски добавить 1-2 капли касторового масла. Это придает покрытию эластичность.

* * *

Для получения матовой пленки при нитропокрытиях растворяют четверть чайной ложки крахмала на 100 см³ готовой нитрокраски.

* * *

Иногда хорошо сохранить естественный цвет деталей из латуни, меди и бронзы. В этом случае после шлифовки шкуркой и полировки пастами деталь покрывают тонким слоем жидкого цапон-лака. Если нет полировочной пасты, то можно воспользоваться для этой цели зубным порошком, разведенным на слабом растворе нашатырного спирта.

При окраске пульверизатором часть поверхности, которую не нужно красить, заклеивают бумагой или, если это неудобно, смазывают вазелином. После окраски вазелин стирается тряпкой.

* * *

Для удаления старого слоя масляной краски нужно 300 г негашеной извести смешать со 100 г поташа, а затем замесить смесь водой до густоты краски. Этой смесью покрывают слой старой краски и оставляют на 12 часов. После этого старая краска легко сойдет.

Можно слой старой краски снять и другим способом. Смочите краску 10-15-процентным раствором каустической соды. Через несколько часов краска легко счистится.

А с малярных кистей засохшую краску лучше всего смывать амилацетатом.

* * *

Для того чтобы удалить смолу с дерева, его поверхность смачивают ацетоном или горячей водой с содой и поташом (на 1 л воды 60 г соды и 50 г поташа). Через некоторое время состав, который растворил смолу, смывают водой.

* * *

Чтобы получить алюминиевую или бронзовую краску, надо соответствующую металлическую пудру всыпать в бесцветный нитролак и тщательно растереть. Затем, добавляя растворитель, довести смесь до пригодной для окраски густоты. При окраске пузырек с составом нужно часто взбалтывать, так как порошки быстро оседают на дно.

Теперь, наконец, мы с вами добрались до седьмой статьи - амортизационных начислений. Что это такое - мы уже знаем. Амортизационные начисления - это возмещение стоимости износившихся зданий и сооружений, износившихся машин. Каких машин? Тех, которые делают тракторы. Это станки и прессы, конвейеры и станочные линии, электропечи и подъемные краны. Чем эти машины будут дешевле, чем они будут производительнее, тем дешевле обойдется изготовление трактора. Значит, чтобы получить дешевые машины, нужно иметь дешевые машины. Это звучит странно, но это так. И для этого нам нужно в первую очередь развивать машиностроение. Чем больше у нас будет машин, которые делают машины, чем они будут производительнее и дешевле, тем больше продукции выпустит наша промышленность и тем лучше и дешевле будет эта продукция.

ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

Шахты и рудники, металлургические комбинаты и электростанции, машиностроительные заводы и текстильные фабрики, типографии и мясокомбинаты - все это промышленные предприятия. Нескончаемым потоком с промышленных предприятий страны идут металл, уголь, электроэнергия, различные машины, ткани, обувь, одежда, сахар, консервы, мебель, книги, тетради... Всего не перечесть!

Работой завода руководит заводоуправление во главе с директором. Первый заместитель директора - главный инженер. Большую роль в жизни предприятия играют технические сове-

ты, в которые входят рабочие-новаторы, инженеры, представители общественных организаций завода.

Заводоуправление состоит из отделов: конструкторского, планового, технологического, организации труда, снабжения, сбыта, финансового, бухгалтерии, отдела главного механика, технической пропаганды, подготовки кадров и т. д.

Конструкторский отдел - на многих заводах есть конструкторские бюро - занимается конкретной разработкой новых машин и деталей, внедрением уже разработанной

ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

на другом предприятии новой продукции, усовершенствованием выпускаемой продукции. Именно здесь готовятся окончательные рабочие чертежи, по которым рабочие, инженеры и техники изготовляют детали, отдельные узлы и целые машины. Конструкторскому отделу помогает экспериментальный цех, который изготовляет опытные образцы новых машин.

Как только завод получает задание начать выпуск новой машины, конструкторский отдел принимается за работу. Одновременно с ним в дело включается и плановый отдел. Ведь работа завода планируется. Количество рабочих, число единиц оборудования, оборотные средства - все потребности завода должны быть приведены в соответствие с производственной программой и с теми средствами, которые этому предприятию выделяются.

Плановый отдел составляет график запуска машин в производство: к такому-то числу должны закончить работу технологи; тогда-то должны быть готовы чертежи инструментов, штампов, приспособлений. Устанавливаются сроки их изготовления в инструментальном цехе, сроки поступления на склады материалов. Затем намечаются даты, когда надо начать изготовление деталей во всех цехах, и сроки начала выпуска новой машины.

Однако конкретные производственные планы для цехов еще не составляются. Прежде всего для этого надо поработать технологическому отделу.

Заводские технологи точно установят, на каком оборудовании будет выполняться каждая операция, каким инструментом, с какими приспособлениями, сколько времени она займет, сколько потребуется для ее выполнения рабочих, какой квалификации. Вот на этой основе уже можно планировать работу цехов, т. е. составить график равномерного и комплектного выпуска машин в таком количестве, какое требует государственный план.

Технологи начинают свою деятельность вместе с плановиками и даже раньше их на той стадии, когда чертежи машины еще не сошли с досок конструкторов. Технолог садится рядом с конструктором и вместе с ним обсуждает новую конструкцию, ее технологичность. Но тогда технолог был лишь консультантом. А теперь он определяет дальнейшую судьбу машины.

В тесном контакте с технологами работает отдел организации труда (или отдел труда и заработной платы). Технологи подсчитали, сколько нужно времени на выполнение каждой операции. Это техническая норма времени, она полностью учитывает возможности заводского оборудования. Теперь надо эти возможности реализовать. Отдел организации труда старается разумно, экономно использовать труд рабочего, правильно его организовать. Он старается сберечь для производства каждую минуту рабочего времени.

Так, на одном из предприятий при изучении процесса сборки автомобильного колеса установили, что покрышка лежит от сборщика на 1 м дальше, чем необходимо. Один лишний шаг за покрышкой, один - обратно. Подсчитали: при сборке узла - два лишних шага; при сборке машины (5 колес) - 10 шагов; в день (100 комплектов) - 1 км; в год - 12 потерянных дней. Вот что такое лишний шаг сборщика!

Важное звено заводоуправления - отдел снабжения. Этот отдел вместе с плановым изучает спецификацию деталей и материалов новой машины. Что, например, можно получить в готовом виде от других заводов? Подшипники - с подшипникового завода, электрооборудование - с другого завода, пластмассы - с третьего, ткани - с четвертого, стекло, приборы - с пятого, шестого и т. д.

Но отдел снабжения не только доставляет нужные материалы. Он следит также за правильным их расходованием. Дает, например, цеху металл по весу в соответствии с нормами и точно знает, сколько весят выпускаемые изделия. Куда делась разница - ушла в стружку? Значит, нужно собрать эту стружку и сдать на переплавку.

Каждое дело требует творческого подхода. Вот, например, финансовый отдел. Казалось бы, одни сухие цифры: получил в банке деньги, распределил их по статьям - и все. Однако от работы финансистов, от того, насколько хорошо они видят, что в действительности скрывается за сухими цифрами, часто зависят результаты всей работы завода.

Существует такой термин - «оборотные средства предприятия». Это деньги, вложенные в запасы материалов, в начатые, но незаконченные производством изделия, в готовую, но неотправленную продукцию.

Государство выделяет заводу ежегодно определенную сумму оборотных средств, скажем 10 млн. руб. А продукции он выпускает в годна 40 млн. руб. Выходит, первоначально выделенные средства за год оборачиваются четыре раза: продолжительность оборота - ;90 дней. А если сократить продолжительность оборота, допустим, с 90 до 70 дней? Тогда средства станут обо-

рачиваться пять раз в год вместо четырех. В результате при тех же 10 млн. руб., выделенных государством, завод получит возможность выпускать продукцию не на 40, а на 50 млн. руб. в год. Но, конечно, осуществить такое сокращение сроков оборота средств можно лишь силами всего коллектива завода, в соответствии с государственным планом.

Сухие цифры, учет каждой израсходованной копейки составляют содержание работы еще одного отдела - центральной бухгалтерии. Если на каждой выпущенной детали сберечь только одну копейку, то годовая

экономия на крупном заводе может достигнуть десятков тысяч рублей. Центральная бухгалтерия ведет точный учет всех затрат и доходов предприятия. В этом учете, как в зеркале, видны результаты хозяйственной деятельности завода.

Есть в заводоуправлении отдел, который занимается оборудованием,- отдел главного механика. При получении нового задания он в первую очередь изучит потребность в оборудовании. В механических цехах, скажем, обнаруживается нехватка станков. Попросить новые? Возможно, придется. Но

ОСТОРОЖНО - СТЕКЛО!

Часто бывает так, Что некоторые детали лучше всего делать из стекла. Однако многие отказываются от применения стекла, так как не знают, как с ним обращаться. Здесь мы приводим несколько наиболее простых способов обработки стекла.

Резать стекло по прямым линиям проще всего, используя обычный стеклорез и деревянную линейку. Стеклорез можно приобрести в магазине.

Положите на ровный стол какую-нибудь ткань (сукно, фланель и т, п.), сверху положите стекло. Стеклорез держите перпендикулярно к поверхности стекла и, не нажимая сильно, проведите им вдоль линейки, отступив от края стекла 1-2 мм. Если стекло толстое, то такую же линию прочертите и с обратной стороны стекла. Затем возьмите в руки стекло за края и небольшим усилием разъедините его. Движение рук в это время напоминает движение, как если бы вы хотели сложить стекло по прочерченной линии.

Бутылку режут другим способом. Налейте в нее воды до того места, где вы хотите получить линию отреза. Затем сверху бутылки, по линии налитой воды, повяжите шпагат, смоченный в керосине, и зажгите его. Через некоторое время бутылка лопнет как раз там, где вам нужно.

Небольшие отверстия в стекле вырезают обычным сверлом. Но сверло надо предварительно закалить. Делается это так. Нагрейте кончик сверла добела, затем быстро вдавите его в палочку сургуча. Если сверло прожгло сургуч насквозь, вдавите сверло в новое место, и так до тех пор, пока сургуч не перестанет плавиться.

При сверлении стекла кончик сверла смачивайте скипидаром.

Чтобы вырезать в стекле большое отверстие, сначала надо высверлить сверлом маленькую дырочку. Затем, укрепив в этой дырочке один конец проволоки, к другому привяжите стеклорез и проведите нужную окружность. Потом прочертите по линейке стеклорезом два радиуса от дырочки к линии окружности. После этого возьмите стекло в руки и с нижней стороны несильно ударьте деревянной рукояткой молотка. Вырезанные части вывалятся. Чтобы облегчить удаление вырезанных частей, со стороны надрезов прижмите кусок замазки.

Согнуть стеклянную трубку можно, нагревая место сгиба над пламенем спиртовки или газовой плиты. Нагревая трубку, все время поворачивайте ее вокруг оси. Как только место сгиба слегка покраснеет, начинайте постепенно сгибать, не прекращая вращения. После того как будет достигнут нужный угол сгиба (и даже немного раньше), вынесите трубку из пламени и, не прекращая вращения, дождитесь, когда стекло остынет.

Узкие полоски стекла сгибают подобным образом.

При сгибании трубок большого диаметра перед нагревом засыпьте в них мелкий сухой песок. Чтобы песок не высыпался, с обоих концов трубки вставьте пробочки из дерева.

Сделать стекло матовым можно, обрабатывая его плавиковой кислотой.

Из воска или парафина сделайте по краям стекла небольшой бортик. Внутрь образовавшегося плоского корытца налейте тонким слоем плавиковую кислоту. Через несколько минут слейте ее, а стекло тщательно промойте водой.

Выгравировать на стекле какой-нибудь рисунок можно так. Залейте расплавленным воском или парафином всю поверхность стекла. Затем карандашом (не нажимая сильно) нанесите рисунок. По этим линиям аккуратно процарапайте чем-либо острым слой воска до стекла. В прочерченных линиях не оставляйте мелких кусочков воска. После этого стекло обильно смочите плавиковой кислотой. Через несколько минут смойте ее водой и удалите слой воска.

Декоративная гравировка стекла основана на свойстве клея сжиматься при высыхании. Сжимаясь, он отстает от стекла и снимает с него слои разной толщины. Поверхность травленного таким образом стекла имеет характер морозных узоров. Для травления необходим столярный клей или (еще лучше) желатин, так как, чем чище клей, тем лучше результаты.

Растворите немного клея в воде и прибавьте 6% (от его веса) квасцов. Полученной густой массой покройте стекло с помощью щетки, пока клей еще теплый. Через полчаса нанесите второй слой и оставьте сохнуть при комнатной температуре на сутки. Затем переставьте стекло в более теплое место (40°). Через некоторое время клей начнет с треском отлетать. Если хотите некоторые места оставить гладкими, то перед обмазкой клеем покройте их слоем воска или парафина.

раньше надо проверить свои резервы. Ведь можно модернизировать многие станки, сделать их более мощными, более производительными. Помимо этого, отдел главного механика заботится о состоянии всех станков завода, об их своевременном ремонте, замене и т. д.

Электроэнергетическими установками, тепло- и водоснабжением на заводе ведает отдел главного энергетика. Он также согласует потребность в энергии с новым заданием.

Отдел технической пропаганды (или технической информации) тоже внесет свой вклад в освоение новой машины. Он изыщет и размножит информацию об изготовлении подобных машин за границей, о всех новинках отечественных родственных заводов, оборудует в цехах витрины, устроит выставки, организует лекции, покажет технические кинофильмы - сделает все, чтобы помочь рабочим и инженерам. Техническая библиотека доставит книжки и журнальные новинки и также устроит выставки, беседы.

Остается главное - кадры. Ими занимаются два отдела: отдел подготовки кадров и отдел найма и увольнения.

На наших заводах все учатся. Кружки техминимума, школы передового опыта, курсы наладчиков, мастеров, вечерние (сменные) средние общеобразовательные школы, профессионально-технические училища, техникумы, заводы-втузы, филиалы вечерних институтов, группы заочников - все условия для учебы!

Оба отдела, занимающиеся кадрами, действуют в контакте друг с другом. Они совместно решают, рабочих каких специальностей надо подготовить своими силами, кого нужно найти на стороне. И тот и другой отдел охотно привлекает молодежь со средним образованием: ведь такие люди легко включаются в любые звенья подготовки кадров, быстро находят себе место в сложном организме завода.

На большом заводе работают десятки цехов, тысячи станков, десятки тысяч людей. Выпускают они сотни тысяч деталей, производят миллионы операций. Как разобраться во всем этом? Кто может сказать, в каком цехе что происходит, что с какой деталью делается? Производственный отдел завода. Иногда его называют диспетчерским.

Диспетчеров на современном заводе немного. Им помогает специальная техника. Она показывает, как идет выпуск любой детали на любом участке. Но диспетчеры не только следят за

ходом производства, они ускоряют его, если где-либо случилось промедление, приходят на помощь тем участкам, где возникают какие-либо трудности.

На стене производственного отдела - огромный электрифицированный график. Ползут на нем светящиеся «жучки». Каждый из них связан с движущейся на главном сборочном конвейере машиной. Сборка идет нормально - «жучок» ползет и ползет. Случись малейшая задержка- «жучок» мгновенно замрет на месте. И сразу увидит диспетчер: конвейер остановился, нужно срочно принимать меры. При этом еще начнет мигать красный сигнал, загудит сирена.

Обычно конвейер останавливается, если не хватает деталей. Диспетчер неотступно следит, чтобы запасы их постоянно были на складах. Несколько тысяч деталей составляют машину. Каждая из них имеет номер, который показан на доске против диспетчера. Рядом с номером - три лампочки: зеленая, желтая, красная. Горит зеленая - все в порядке, запас деталей достаточный. Но вот он снизился, стал меньше нормы - и сразу же зажглась желтая. Если бы запас исчерпался, зажглась красная.

Но мало следить за состоянием запасов на складах. Важно знать, как эти запасы пополняются. В комнате диспетчера висит график - часовая выработка каждого цеха. На нем рядом идут две кривые: план и выполнение; вторая чуть-чуть выше первой - значит, все в порядке!

Все ли? Нет, не все. Чтобы иметь основание считать, что все идет хорошо, надо проверить и качество продукции - как той, которая идет в процессе изготовления машины из одного цеха в другой, так и той, которая выходит из ворот завода. Этим занимается отдел технического контроля (ОТК).

Большую роль на современном предприятии играет отдел техники безопасности (на небольших заводах и фабриках с этой работой справляется специальный инженер по технике безопасности). Он следит за тем, чтобы установленные правила работы и условия труда не нарушались, чтобы здоровью трудящихся ничего не угрожало.

В перечне подразделений заводоуправления мы пока не упомянули, пожалуй, самое интересное - вычислительный центр. Далеко не на всех заводах сегодня существует это подразделение. Но там, где оно есть, результаты его работы весьма и весьма ощутимы.

Вычислительный центр, оборудованный современными электронными вычислительными машинами, выполняет функции нескольких от-

делов. Он может автоматически разрабатывать программы-графики для производства, суточные и месячные задания, вести учет продукции и расчет показателей работы участков, цехов и всего завода.

Четко и слаженно работает огромный и сложный механизм завода. Спокоен и размерен ход производства. Телефон, радио, автоматика,

телемеханика, кибернетика - все достижения передовой техники используются для этого. Но главная основа четкости и размеренности работы предприятия - квалифицированный труд рабочих, техников, инженеров и других специалистов, их дисциплинированность, чувство ответственности. И, конечно, хорошее знание своего дела.

ТЕХНИКА И ЭСТЕТИКА

Вы подъезжаете к зданию, похожему на закрытый бассейн или дворец спорта. Вам, вероятно, в голову не придет, что это ткацкая фабрика. Ни кирпичных стен, ни подслеповатых окон, ни грохота станков. Вы входите в вестибюль, потом в цех и продолжаете удивляться. Полы выложены красивым пластиком. Люминесцентные лампы льют ровный свет, преобладают светло-зеленые тона. Каждые пять минут кондиционеры обновляют воздух - он соперничает с воздухом морского побережья или соснового бора. А шум? Он «уходит» в отверстия перфорированных алюминиевых листов на потолке и пропадает в плитах из минеральной ваты, обернутой в полиамидную пленку.

И это не уникальное, не единственное в своем ' роде здание. Фабрика построена из типовых элементов, она первая среди десятков подобных. Таких предприятий будет скоро очень много. Новые науки - техническая эстетика и примыкающая к ней эргономика, изучающие воздействие внешних условий на работоспособность, настроение, качество работы, - пришли на производство. Заводы и фабрики, прошедшие элементарную ступень борьбы за чистоту, гигиену и культуру, становятся сочетанием подлинной красоты и великолепных условий труда.

Первые шаги технической эстетики связаны с использованием физиологических и психологических особенностей цвета. Человек не безразличен к цвету. Цвет влияет на наше настроение и здоровье. Одному американскому фабриканту вздумалось окрасить стены, механизмы и столы на фабрике в черный цвет. Выработка упала, среди работниц начались нервные заболевания. К счастью, на фабрику пришел физиолог. «Вы нарушили законы контраста,- сказал он владельцу.- Нельзя шить черную кожу

черными нитками на черном столе. Нельзя работать в трауре... Оттого и нервные заболевания». Известен и такой опыт. Рабочие носили одинаковые по весу черные и белые ящики. В один голос они заявили, что черные тяжелее.

Цвет вредит, если он угнетает, мешает различать предметы, требует дополнительного освещения, скрывает опасность. И помогает, если он спокоен, если радует глаз. Цвет способен сослужить хорошую службу людям.

Обо всем этом думали в институте «Оргстанкинпром». Там готовился типовой проект «Культура машиностроительного предприятия», который рабочие назвали потом «проектом красоты». Инженеры, составлявшие проект под руководством физиологов, решили изгнать из заводских цехов вредные грязно-серые тона. Физиологи же доказали, что самый полезный цвет для работы - зеленый. Он снижает давление внутри глаза, способствует нормальному кровообращению, облегчает работу мышц, успокаивает. А красный, например, возбуждает, поднимает настроение, но быстро утомляет. Его лучше всего использовать для предупреждения об опасности.

Но как перенести эти особенности в помещение, где работают, а не созерцают цвет? Где рабочий, переводя взгляд с черного пола, не отражающего свет, на зеркально-блестящую деталь, вынужден портить глаза и терять время, пять секунд приспосабливая зрение? Очевидно, нужно создать гамму неутомительных контрастов, использовать так называемые дополнительные успокаивающие цвета. Немало было споров, опытов, набросков, отвергнутых вариантов... И вот на чертеже, наконец, возникает картина цеха. Потолок и верхняя часть стен белые - они отражают и рассеивают свет. Нижняя часть стен и машины окрашены в светло-зеленый, после

Так выглядел шипорезный фрезерный станок несколько лет назад.

которого глаз легче всего приспособится к другому цвету. Черный пол уступает место серому или коричневому.

В проекте учтены и требования безопасности: подвижные части машин светлее неподвижных; издалека предупреждают о себе красные электрокары и открытая электроаппаратура; на фоне серебристых перекрытий четко виден желто-черный крюк крана. В инструментальном цехе, где нужна особая точность, тона светлее, чем в механическом, а в горячих цехах стены выложены «прохладными» синими плитками. Чем тяжелее машины, тем «легче» их цвет: так на чертеже возникают белые печи, голубые прессы и т. д.

Чертежи, разосланные заводам, оживают. Экскаваторный завод в Таллине, радиозаводы

в Риге, «Автогенмаш» в Одессе, Минский тракторный, Тбилисский станкостроительный и др. перекрашивают цехи и машины. Хорошее освещение, приятные цвета и их разумное соотношение благотворно сказываются на работоспособности и продуктивности. Администрация отмечает значительное увеличение производительности и экономию электроэнергии, технологи и контролеры - снижение брака и большую точность, инспектора по технике безопасности и врачи - отсутствие несчастных случаев, а рабочие - отличное настроение, уменьшение усталости и увеличение заработка.

Изгнав унылый грязно-серый цвет, оборудовав по-новому рабочие места, заводы объявили войну еще одному врагу - шуму. На рижских заводах ВЭФ и «Саркана звайгзне» можно увидеть десятки остроумных приспособлений, гасящих грохот, скрежет и визг различных машин и механизмов. Вместо шума во многих цехах негромко звучит теперь приятная и бодрая музыка.

Энтузиасты обновления производства провели и первые опыты с генератором запахов: когда-нибудь в цехах, лабораториях и конструкторских бюро появится аромат соснового леса или моря, ковыльной степи или цветущего сада. Работая над этим генератором, конструкторы исходят из теории, утверждающей, что запахи связаны не только со строением молекул, но и с электромагнитными колебаниями.

В облик предприятий вносят свою лепту и художники. Художник знает о свойствах цвета не только то, что говорит ему физиолог или психолог, но и то, что «говорит» искусство. Искреннее восхищение искусствоведов, физиологов и, главное, рабочих вызвал опыт рижских художников, участвовавших в реконструкции механического завода в Айзпуте. Там светло-зеленый цвет оставлен только станкам, которые окружены желтыми стенами. Возбуждающее действие желтого цвета уравновешивается синими трубами и крупными декоративными фотографиями.

Художники стараются помочь конструкторам и при работе над станками, придать станкам современные формы, сделать их красивыми и удобными, смягчить переходы от света к тени, отбросить лишнее. Первые такие станки для фрезерования и ультразвуковой обработки создали выпускники Московского художественно-промышленного училища.

Исследования физиологов, психологов, художников, специалистов по светотехнике и акустике и, наконец, архитекторов, которым хи-

мия и промышленность вручили новые материалы, нашли свое воплощение в великолепных проектах реконструкции московских заводов - автомобильного, шлифовальных станков, а также в проекте новой ткацкой фабрики, о которой мы рассказали вам вначале.

Облик предприятия ближайшего будущего вырисовывается отчетливо. Но каковы будут условия труда на полностью автоматизированном заводе, где людям придется работать только у пульта управления и где центральной фигурой станет оператор, человек высококвалифицированного интеллектуального труда?

Работу операторов облегчили автоматические регуляторы. Людям осталось лишь следить за приборами. Однако простое наблюдение тоже связано с нервным напряжением, пожалуй, не менее вредным, чем физическая усталость. Психологи и специалисты по кибернетике, призвав на помощь достижения технической эстетики в области цвета и форм, принялись за эксперименты, направленные на облегчение труда оператора.

Начало им было положено проектированием поста управления котлами и турбинами для ТЭЦ № 21 в Москве. Этот пост создан во ВНИИТЭ - Всесоюзном научно-исследовательском институте технической эстетики. С помощью архитекторов и художников длину панели с приборами удалось сократить втрое. На панели отчетливо выделяются штриховые символы машин. Красные и зеленые цепочки, усеянные сигнальными лампами, расположены в строгой логической и технологической последовательности.

Психологи утверждают, что три четверти аварий в автоматических системах происходит не из-за отказа машин, а из-за ошибок при чтении показаний приборов. Они выяснили, что большую возможность ошибки дает вертикальная шкала, меньше - горизонтальная и еще меньше - шкала в форме окна. На основе этих выводов и были выбраны формы шкал на пульте.

Оборудовав ТЭЦ, инженеры, психологи и архитекторы выполнили еще одну интересную

Контуры этого телевизора художники-конструкторы приблизили к геометрическим формам кинескопа, т. е. подчинили внешний вид телевизора его прямому назначению. Такая конструкция очень экономична и красива.

работу. Они создали выдержанную в мягких, теплых тонах «зону отдыха» для оператора, командующего автоматической техникой в одном из цехов Воскресенского химического комбината. Приборы контролируют процесс, а оператор отдыхает в удобном кресле у журнального столика. Но вот зажигается сигнальный глазок над прибором, у столика гаснет свет, затихает музыка, льющаяся из репродукторов, - автоматы зовут человека на помощь.

Инженеры и психологи предлагают прибавить к световой сигнализации еще и музыкальную.

...Все идет хорошо, система работает нормально. Оператор читает. Но вот в механизмах ТЭЦ что-то произошло - зажглись красные огоньки, зазвучали, повторяясь, тревожные музыкальные такты. Оператору достаточно одного взгляда на пульт, чтобы принять решение: вся схема агрегатов потухла, ярко выделяются лишь элементы, относящиеся к той турбине, где может произойти неладное. Все очень просто, и оператор спокоен: критический момент он не упустит, у него еще остается время для размышления.

ЭНЕРГИЯ - ДВИЖУЩАЯ СИЛА ТЕХНИКИ

ОТ ПЛАНА ГОЭЛРО К БОЛЬШОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

Темная, заваленная сугробами Москва на исходе 1920 года. Холодный, тускло освещенный зал Большого театра, заполненный делегатами VIII Всероссийского съезда Советов. На трибуне В. И. Ленин. Подняв перед собой том плана ГОЭЛРО, Владимир Ильич говорит:

- На мой взгляд - это наша вторая программа партии... Коммунизм - это есть Советская власть плюс электрификация всей страны.

Сейчас нам кажутся очень скромными цифры этого плана - в течение 10-15 лет построить 30 электростанций общей мощностью 1,5 млн.квт

и поднять производство электроэнергии в стране до 8,8 млрд. квт-ч в год. Но тогда эти ленинские задания многим представлялись фантастическими. А сегодня?

По сравнению с 1920 г. выработка электроэнергии увеличилась в 1020 раз и в 1965 г. достигнет 510 млрд. квт-ч. В нашей стране работают три крупнейшие гидроэлектростанции мира: Волжская им. В. И. Ленина, Волжская им. XXII съезда КПСС и Братская на Ангаре; строится еще более мощная - Красноярская на Енисее. Крупнейшая в Европе Приднепров-

ская тепловая электростанция имеет мощность 1,8 млн.квт, а Луганская, тоже тепловая,- 1,5 млн.квт. По сверхдальним линиям электропередач энергия передается самым высоким в мире напряжением -500 тыс.в переменного и 800 тыс.в постоянного тока.

Лавина энергии

Потребности нашей страны в электроэнергии огромны. Но энергетики хотят точно знать, как будет расти потребление электричества, чтобы составить план строительства электростанций. Зная, сколько электроэнергии идет на производство, например, одного автомобиля, специалисты могут подсчитать потребность в энергии всех автомобильных заводов страны. А наблюдая, как вы за завтраком режете свежий хлеб, энергетики сообщат вам любопытный факт. Оказывается, на производство килограмма хлеба - от возделывания пшеницы в поле до прилавка булочной - тратится 1 квт-ч электроэнергии.

Так, идя от одного вида продукции к другому, учитывая ежегодный рост производства, потребности домашнего хозяйства, школ, театров и т. д., энергетики приходят к общей сумме потребности энергии.

В Программе партии записано: поднять выработку электроэнергии к 1980 г. до 2700- 3000 млрд. квт-ч. Это 340 планов ГОЭЛРО! Для производства такой массы электроэнергии нужно построить около 640 крупных электростанций всех типов. Их общая мощность должна быть примерно в пять раз больше, чем мощность всех электростанций страны в 1965 г.

Промышленность и транспорт израсходуют почти две трети всей этой энергии. Ведь только химическая промышленность потребует в 1980 г. около 300 млрд. квт-ч.

Очень резко, до нескольких сот миллиардов киловатт-часов, вырастут потребности сельского хозяйства. На фермах колхозов и совхозов электрические машины производят многие работы. Они измельчают и запаривают корма, доят коров, охлаждают молоко; электричество подает воду на поля в засушливых районах; без больших затрат электроэнергии нельзя изготовить минеральные удобрения.

Городское и домашнее хозяйство, культурные учреждения тоже потребуют немало энергии. Скоро каждой семье понадобится не менее 500квт-ч в год. А Московскому университету уже сейчас нужно столько энергии, сколько дает Волховская ГЭС. Во время интересных передач Центрального телевидения все включенные телевизоры потребляют мощность целой Днепровской ГЭС.

Энергия должна быть дешевой

Но если электрическая энергия будет обходиться дорого, то мы не сможем применять ее так широко, как хотим. Поэтому надо точно знать, из чего складывается цена электроэнергии, чтобы сокращать затраты.

На тепловой электростанции до 65% всех расходов идет на топливо. Лучшие советские тепловые электростанции расходуют сегодня 400-500 г топлива на выработку 1 квт-ч. А к 1980 г. этот расход в результате ввода сверхмощных и более экономичных турбин и генераторов будет снижен почти до 300 г.

В стоимость 1 квт-ч входят еще расходы на зарплату работников электростанций. Но людей на электрических станциях становится все меньше: их работу берут на себя автоматы.

Теперь дальше. На постройку самой станции, еще до того как она дала первый ток, ушли большие средства. Их постепенно, с рассрочкой в 3-5 лет, прибавляют к цене выработанной энергии - надо же покрыть расходы на строительство. Кроме того, в течение 30 лет отчисляются суммы, которые покрывают износ здания и оборудования. Эти добавки называют отчислениями на амортизацию.

В себестоимости одного киловатт-часа, произведенного на гидроэлектростанции, доля амортизации достигает 90%. Сроки окупаемости здесь составляют 3-7 лет, а сроки амортизации - от 50 до 100 лет. Гидроузлы - очень дорогие сооружения. Но зато текущие расходы на выработку электроэнергии здесь незначительны: топлива не надо совсем, и ГЭС уже сегодня работают автоматически. Мы строим сейчас в основном тепловые станции, потому что их сооружать быстрее и дешевле. Но и о гидроэлектростанциях не забываем.

Если бы к 1980 г., когда мы будем вырабатывать до 3000 млрд. квт-ч в год, себестоимость энергии снизилась против сегодняшней всего на 1 %, мы сэкономили бы в течение года средства для постройки школ на 450 тыс. человек.

Но в 1980 г. новые электростанции будут вырабатывать очень дешевую электроэнергию. 1 квт-ч обойдется в три раза дешевле, чем сейчас,- в среднем не более четверти копейки.

Удешевление энергии приведет к резкому снижению стоимости всей продукции в стране.

Электростанции страны «берутся за руки»

Включая электромотор или телевизор, многие и не подозревают, что послушная им энергия родилась очень далеко, быть может, за сотни километров от места потребления. Действительно, энергетиков уже не смущают большие расстояния. Электропередачи тянутся по всей стране на тысячи километров, и нет у них соперников ни в быстроте передачи энергии (300 тыс.км/сек!), ни в «провозоспособности» (миллиарды киловатт-часов!), ни в возможности подвести энергию вплотную к потребителям. Важно и то, что на тысячекилометровых электрических трассах почти не видно людей.

Но в разное время года, в разные часы суток нужны разные количества энергии. Летом, когда день длинный, на освещение тратится меньше электричества, чем зимой. А в сельском хозяйстве, например на орошение и другие работы, максимальное количество энергии требуется именно летом. В дневные и вечерние часы, когда работают все предприятия и включается освещение, нужно больше энергии, чем ночью.

Если строить электростанции с учетом максимальной потребности (энергетики говорят - с учетом «пиков»), то часть турбин в «тихие» часы придется останавливать. Это значит, что на сооружение и содержание этих дополнительных турбин будут затрачены лишние средства. Не лучше ли в часы «пик» добавить энергии с другой станции, из района, где, скажем, в это время уже наступила ночь?

Так и делают: объединяют электростанции линиями электропередач в единую систему. И передают энергию оттуда, где ее в этот момент избыток, туда, где ее не хватает. Объединив все станции страны, мы создадим Единую энергетическую систему (ЕЭС). Только ЕЭС способна сгладить все «пики» и одновременно забрать все излишки электроэнергии; только она может дать дешевую энергию всем отраслям народного хозяйства, культуры и быта.

ЕЭС значительно улучшает и работу самих электростанций: снижаются затраты на строительство и эксплуатацию, уменьшаются и общая нагрузка, и те скачки в графике нагрузок - «пики», которые так дорого обходятся разобщенным электростанциям.

Перекрыть шестую часть суши земного шара мощными линиями электропередач - это раньше казалось фантастикой. Но теперь мы

Волховская ГЭС им. В. И. Ленина (1926). Мощность - 56 тыс.квт .

Днепрогэс им. В. И. Ленина (1932). Мощность - 650 тыс.квт.

Волжская ГЭС им. XXII съезда КПСС (1960). Мощность - 2350 тыс.квт.

недалеки от полного ее осуществления. Уже 90% (по мощности) советских электростанций объединено в энергетические системы.

В стране работают пять крупных энергосистем. Самая мощная - энергосистема Европейской части СССР. Она образовалась из систем Центра, Урала и Юга. Для этого были сооружены линии электропередач самого высокого напряжения в мире - 500 кв (500 кв = 500 тыс.в). Это напряжение в тысячи раз превышает то, на котором работает лампа у вас дома. Сначала была построена линия Куйбышев - Москва, затем Волгоград - Москва, Куйбышев - Урал, Воткинск - Свердловск.

В 1962 г. впервые в мире введена в действие линия постоянного тока Волгоград - Донбасс напряжением 800 кв. Создана объединенная энергосистема Закавказья, в которую вошли энергосистемы Грузии, Армении и Азербайджана. Центральная энергосистема Сибири объединила системы Иркутска, Красноярска и Новосибирска. Работают также менее мощные энергосистемы Северо-Запада и Средней Азии.

Общая длина линий энергопередач напряжением 220-500 кв уже перевалила за 30 тыс.км. Наши системы объединяются с системами социалистических стран. С Западно-Украинской системой соединились системы Чехословакии, Польши, Румынии, ГДР, Болгарии.

В 70-х годах ЕЭС Европейской части и ЕЭС Азиатской части подадут друг другу руки и образуют великую ЕЭС СССР. Эта связь начнется с двух линий передачи энергии постоянным током сверхвысокого напряжения по направлениям Итат-Челябинск и Экибастуз-Моршанск. Каждая из линий (протяженностью от 2 до 3 тыс.км) напряжением 1500 кв будет передавать на запад 45 млрд. квт-ч электроэнергии. А после 1980 г. громадный поток энергии хлынет с востока на запад по новым сверхдальним и сверхмощным трассам на постоянном токе напряжением 2200 кв и выше. Они будут передавать на запад энергию мощных тепловых электростанций, сооружаемых на богатейших угольных бассейнах Сибири, и гидроэнергетических гигантов на Оби, Енисее, Ангаре и Лене.

Братская ГЭС. Проектная мощность - 4500 тыс.квт. (К 1966 мощность достигла 3800 тыс.квт.)

Красноярская ГЭС. Проектная мощность - 5 млн.квт.

ДВИГАТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ

Когда-то, четыре-пять тысяч лет назад, люди знали только один двигатель - собственные мускулы. Потом научились использовать мускульную силу животных - быков, лошадей, верблюдов и др. Еще позднее появились первые, очень примитивные механические двигатели - водяные и ветряные колеса.

Сегодня на земле работают миллионы двигателей - водяных и ветряных, паровых и газовых, электрических и воздушных. Мы называем их общим словом «двигатели» потому, что все эти машины превращают различные виды энергии в механическое движение.

Новый облик старых машин

Водяные двигатели, самые почтенные по возрасту, исправно служат на гидроэлектростанциях. Конечно, они и по виду, и по мощности нисколько не похожи на древние водяные колеса. Сегодняшние гидротурбины - самые мощные двигатели в мире. Падающая вода вращает огромные стальные колеса с лопастями, насаженные на массивный вал. И если к этому же валу присоединить генератор (машину, рождающую электричество), наша гидроэлектростанция начнет вырабатывать электрический ток.

Тот же принцип действия и у ветряных двигателей, только колесо с лопастями вращает не вода, а ветер. С помощью ветродвигателей можно приводить в действие насосы, выкачивающие воду из глубоких колодцев, а можно получать электрический ток - для этого вал нужно соединить с генератором. Но ветер дует с разной силой в разное время, а то и совсем стихает. Поэтому на ветроэлектростанциях (ВЭС) ставят накопители энергии, например высоко расположенные резервуары с водой. Пока есть ветер, часть энергии ВЭС заставляет работать насос, поднимающий воду на большую высоту. Но вот ветер упал - и вода начинает сливаться из резервуара. По пути она вращает турбину и соединенный с нею генератор.

В других случаях объединяют в одну ВЭС несколько ветряных колес, работающих далеко одно от другого. И если ветер есть в районе хотя бы одного из колес, станция не перестает подавать энергию.

Ветряная электростанция - ВЭС - очень удобна в горных районах, где большую часть года ветрено.

Первая тепловая

Паровые и газовые двигатели часто объединяют общим названием «тепловые». Действительно, каждый такой двигатель превращает в механическую работу тепловую энергию пара или газа. Но это превращение тепловые двигатели выполняют разными способами.

Старейшему двигателю этого класса - паровой машине - скоро двести лет. Некогда она была самой главной среди других двигательных машин. Сегодня паровая машина постепенно уходит в прошлое вместе с последними паровозами и пароходами. Машина эта тяжела и не очень быстроходна, а наша техника стремится к скорости и легкости. Кроме того, у нее низкий коэффициент полезного действия. Это для двигателей очень важный показатель. Коэффициент полезного действия (сокращенно к. п. д.) показывает, какую часть израсходованной энергии машина превращает в полезную работу. Так вот, к. п. д. хорошего паровоза не более 8%. Это значит, что из 100 кг сожженного в топке угля в полезную работу превращается тепловая энергия только восьми килограммов, а остальные 92 кг сжигаются напрасно - их энергия вылетает в дымовую трубу, теряется с отходящим паром, уходит на трение внутренних деталей паровой машины и механизма самого локомотива.

Главная ее часть - цилиндр с поршнем. Пар высокого давления из парового котла может входить в цилиндр попеременно слева и справа поршня, и поршень начинает двигаться. Через шток, ползун и шатун поршень соединен с коленчатым валом.

Но кто командует впуском пара в левую и правую части цилиндра? И кто выпускает

из цилиндра отработавший, ненужный пар после каждого хода поршня? В самых первых паровых машинах это делал человек. Но его давно уже заменяет автоматическое устройство для распределения пара - золотник (см. статьи раздела «Автоматика»).

Всякая паровая машина должна еще иметь маховик - тяжелое колесо, насаженное на коленчатый вал. Маховик нужен, чтобы вал не останавливался в крайних положениях поршня - в так называемых мертвых точках. Инерция маховика заставляет вал пройти мертвую точку, а дальше снова работает поршень.

Паровая машина. В верхней части рисунка схема ее работы. Пар подается через один из двух каналов, поочередно открываемых золотником. Одновременно через другой канал и внутреннюю полость золотника отработавший пар отводится в холодильник.

Четырехтактные двигатели внутреннего сгорания работают на автомобилях и легких самолетах. На схеме показаны четыре такта работы двигателя. всасывание - сжатие - рабочий ход - выпуск.

На жидком топливе

Двигатель внутреннего сгорания появился почти через 100 лет после паровой машины. И хотя он чем-то на нее похож, работает гораздо лучше - быстрее, экономичнее, с более высоким к. п. д.- 35 и даже 39%. При одной и той же мощности двигатель внутреннего сгорания почти втрое легче паровой машины.

У этого двигателя тоже есть цилиндр и поршень. Только в цилиндр впускают не пар, а горючую смесь - воздух и топливо (бензин, керосин, соляровое масло, нефть). Порция топлива сгорает между головкой цилиндра и днищем поршня - в камере сгорания. Сгорая, бензин, керосин или нефть превращаются в газ, который занимает примерно в 800 раз больший объем. Потому в камере очень резко повышается давление.

Под давлением газа поршень быстро отходит назад. Это рабочий ход: отходя, поршень через шатун заставляет вращаться коленчатый вал. Потом, вращаясь уже по инерции (вспомните маховик!), коленчатый вал возвращает поршень к головке цилиндра. Во время этого хода открыт выпускной клапан, и через него поршень выталкивает отработавшие газы.

Следующий свой ход - назад - поршень тоже делает по инерции коленчатого вала с маховиком. В это время открыт уже впускной клапан. Работая как насос, поршень всасывает через этот клапан следующую порцию смеси. Наконец, поршень опять движется вперед с помощью маховика. На этот раз клапаны закрыты - происходит сжатие смеси в цилиндре перед воспламенением. Сжатие необходимо, чтобы рабочий ход был как можно сильнее.

Теперь топливо снова воспламеняется, повторяется рабочий ход, а дальше - все, как раньше. Рабочий ход - выпуск - наполнение - сжатие; рабочий ход - выпуск - наполнение - сжатие; четыре хода поршня, четыре такта в работе двигателя. Поэтому двигатель, который мы сейчас описали, называется четырехтактным.

Есть множество разных типов четырехтактных двигателей. На легковых автомобилях и нереактивных самолетах чаще всего работают карбюраторные двигатели: в них жидкое топливо (обычно бензин) распыляется воздушной струей в особом приборе - карбюраторе - и в виде смеси паров топлива с воздухом входит в цилиндр. После сжатия эта смесь воспламеняется электрической искрой от свечи.

Тракторы, танки, мощные грузовики, как правило, имеют другие двигатели - дизельные. В этих двигателях поршень засасывает через клапан чистый воздух. Клапан закрывается, происходит сильное сжатие. В карбюраторных двигателях поршень сжимает смесь топлива с воздухом в 6-8 раз, а воздух в цилиндре дизеля нужно сжать раз в 15-20, тогда он сразу разогреется до 800°. Если в такой сжатый горячий воздух впрыснуть через форсунку порцию жидкого дизельного топлива (солярового масла, газойля), то от высокой температуры топливо воспламенится.

На мотоциклах, мотороллерах, кораблях-теплоходах и некоторых тяжелых грузовиках можно увидеть двигатели внутреннего сгорания, работающие не в четыре такта, а в два. Эти двухтактные двигатели действуют вот как.

Первый такт. Топливо сжигается в камере сгорания, воспламенившись от электрической искры (в мотоциклетных моторах) или от температуры сжатого воздуха (в тяжелых судовых двигателях). Поршень под давлением газов движется назад. Это рабочий ход. В стенках цилиндра вырезаны окна, которые закрыты телом поршня, когда он в переднем положении. Но, отходя назад, поршень постепенно открывает эти окна. Через одно из них происходит выпуск отработавших газов; через другое насос подаст либо смесь топлива с воздухом из карбюратора, либо чистый воздух, если это дизель.

Второй такт. Поршень по инерции коленчатого вала с маховиком идет вперед. Он закрывает собой выпускные и продувочные окна (их обычно бывает по нескольку) и сжимает свежую смесь или воздух в цилиндре. В переднем положении поршня электрическая свеча дает искру либо форсунка впрыскивает топливо. И все начинается сначала.

Советские двухтактные дизельные двигатели моторного завода в Ярославле работают так надежно и равномерно, что их ставят и на тяжелые грузовики.

Двухтактные двигатели, казалось бы, выгоднее четырехтактных, потому что на каждый рабочий ход у них приходится не три холостых, а всего один. Однако из-за потерь энергии при продувке, из-за неполноты рабочего

хода и по некоторым другим причинам двухтактные двигатели в целом уступают четырехтактным.

На высоких скоростях

На электростанциях, на многих кораблях и на самолетах действуют тепловые двигатели без поршней - турбины. Они бывают паровыми и газовыми.

Вспомним: поршневые двигатели использовали давление пара или газа, т. е. их потенциальную, внутреннюю энергию. Турбины же работают благодаря кинетической, скоростной энергии паровой или газовой струи. Значит, прежде всего нам нужно разогнать пар или газ

Двухтактные дизельные двигатели установлены на кораблях, тяжелых грузовиках и на других машинах. На схеме показано, как рабочий цикл двигателя выполняется за один оборот вала.

Паровая турбина мощностью 500 тыс.квт. Слева направо: цилиндр высокого давления, цилиндр среднего давления и два цилиндра низкого давления. Справа на рисунке видна часть генератора.

до высокой скорости. Это легче всего сделать, выпуская их из какого-то сосуда, где давление очень высокое, в окружающее пространство через небольшое отверстие.

Чем выше внутреннее давление, тем быстрее помчится пар (мы сначала будем говорить о паровых турбинах). А если к отверстию приставить конический насадок - сопло, скорость выходящего пара может стать больше скорости звука. При этом, конечно, давление в паровой струе очень резко упадет. Энергия давления, потенциальная, перейдет в скоростную, кинетическую.

Если теперь струю пара направить на лопатки колеса, сидящего на оси, колесо начнет быстро вращаться. Такая простейшая турбина - она называется активной одновенечной - на практике, к сожалению, непригодна. Паровая струя мчится из насадка гораздо быстрее звука - около 1 км/сек! Чтобы использовать такую скорость, лопатки турбинного колеса должны проходить в секунду около 500 м. Колесо будет при этом вращаться со скоростью 30-40 тыс.об/мин. Гигантские центробежные силы просто-напросто разнесут машину!

Колеса современных паровых турбин вращаются со скоростью 3000 об/мин. А чтобы полнее использовать энергию пара, турбины делают не с одновенечными рабочими колесами, а с длинными валами - роторами - с несколькими рядами лопаток. Каждый ряд лопаток называется рабочим венцом. Между венцами вводятся неподвижные диафрагмы - тоже ряды лопаток, только укрепленные на внутренних стенках корпуса турбины и не касающиеся ротора. И происходит вот что.

Свежий, «острый» пар из котла под давлением 150-250 атм проходит между неподвижными лопатками. Каналы между ними - это сопла. Здесь пар успевает превратить в скорость только часть своего давления. Лопатки первого венца ротора пришли в движение.

Затем пар попадает в каналы первой диафрагмы. Вновь часть его давления переходит в скорость, и эта скорость срабатывается на втором венце. Так повторяется 10-12 раз, пока давление пара станет небольшим.

Но современные турбины часто используют и реактивный принцип работы. Это значит, что соплами для разгона паровой струи служат не только каналы между лопатками диафрагм, но и каналы между лопатками рабочих венцов ротора. Каждой лопатке рабочих венцов придают форму запятой, и каналы между ними становятся похожими на сопла. Поэтому в реактивной турбине пар одновременно и теряет скорость, отдавая ее лопаткам, и приобретает скоростную энергию за счет потери части давления в соплах рабочих венцов. Всего несколько рабочих венцов - и начальное давление израсходовано плавно и экономно.

На Харьковском и Ленинградском турбинных заводах строят мощнейшие в мире паровые турбины - на 500 тыс.квт. И проектируют еще более мощные - на 750-800 тыс.квт. Эти двигатели, разумеется, гораздо сложнее, чем те, о которых мы рассказали.

Газовые турбины по принципу действия стоят близко к реактивным паровым. Но только по принципу, потому что газовая турбина - это двигатель внутреннего сгорания, ей не нужен тяжелый паровой котел.

Важная часть газовой турбины - мощный компрессор. Он всасывает воздух и сжимает его до 10-15 атм. Затем сжатый воздух подогревается в теплообменнике отходящими газами и идет в камеру сгорания. Туда же непрерывно подается мелкораспыленное топливо, например керосин. Огонь в камере сгорания бушует все время - топливо горит в воздушной струе. Лишь в начале работы, для запуска, оно поджигается электрической свечой, а потом свечу выключают.

Поток горячих газов идет в сопла и потом на лопатки ротора - обычно на нем не больше трех-четырех рядов лопаток. Отработав на турбине, газы омывают теплообменник, где подогревается сжатый воздух, и покидают турбину.

Двигатели такого типа ставят чаще всего на самолеты. При этом газовая струя, вылетающая из хвостовой части двигателя, дополнительно толкает самолет вперед, создает, как говорят специалисты, реактивную тягу. А главную тягу дает воздушный винт, сидящий на одном валу с турбиной и компрессором. Подобными турбовинтовыми двигателями оснащены, например, такие советские воздушные лайнеры, как ТУ-114, ИЛ-18, АН-10, АН-24.

Вверху - схема газовой турбины, в середине - газотурбовоз, внизу - двигатель газотурбовоза.

Но инженеры стремятся переселить газовую турбину «с небес на землю» - сделать ее двигателем электростанций, локомотивов-газотурбовозов, морских судов. Она легка, экономична, способна работать даже на дешевом природном горючем газе - все это очень заманчиво. Однако раскаленные газы, несущиеся в турбине с огромной скоростью, быстро изнашивают рабочие лопатки. Предстоит еще трудная работа, прежде чем будет создана мощная, экономичная и долговечная газовая турбина.

Если вы разобрались в том, как работает газовая турбина, то нетрудно понять и действие воздушно-реактивных двигателей. Но в этой статье мы не будем о них рассказывать. И вот почему. Двигатели, о которых здесь говорится, многоцелевые: они могут работать на транспорте, вращать ротор генератора, приводить в движение станок. А реактивные двигатели можно применять только на транспорте. Они могут приводить в движение космический корабль, самолет, автомобиль и т. п. Если такой двигатель закрепить на фундаменте (как, например, паровую машину), он не сможет производить полезную работу. В отличие от остальных двигателей главная его техническая характеристика - сила тяги. Именно поэтому инженеры выделяют их в особую группу, а мы рассказываем о них в разделе «Транспорт» (см. ст. «Реактивные двигатели»).

Вторичные, но на первом месте

Электрические двигатели называют иногда «вторичными», потому что энергию для них надо предварительно выработать с помощью какого-нибудь первичного двигателя и электрического генератора. Но эти бездымные, почти бесшумные, мощные и долговечные двигатели успели занять первое место среди всех других. А в промышленности - на заводах, фабриках, стройках - они господствуют безраздельно.

Почти полтора века известно, что провод с током, помещенный между полюсами магнита, начинает двигаться. Если из какого-либо проводника сделать рамку и пустить ток по ее контуру, рамка повернется на 90°. Что ж, возьмем много таких рамок, натянем на общий барабан, а вокруг поставим сильные магниты. Это и будет электродвигатель постоянного тока. Барабан называют якорем, а концы рамок - витков - присоединяют к распределительному устройству -коллектору - на валу якоря. Коллектор - это набор изолированных друг от друга пластин, которые во время вращения вала поочередно касаются двух неподвижных металлических щеток. По щеткам к пластинам коллектора подводится постоянный ток. Он проходит по рамке в тот момент, когда щетки касаются соединенных с нею пластин коллектора. А потом вместе с якорем коллектор поворачивается, к щеткам подходят две другие пластины, и ток получает следующая рамка.

Электродвигатели постоянного тока могут быстро набирать скорость вращения вала и менять ее по нашему усмотрению. Они легко дают «задний ход» - начинают вращаться в обратную сторону. Могучие и быстроходные советские электровозы, поезда метро и электропоезда оснащены только такими двигателями.

Но электростанции, как правило, вырабатывают не постоянный ток, а переменный. Чтобы питать им коллекторный электродвигатель, ток нужно выпрямить, превратить в постоянный. Это довольно сложное дело. Нельзя ли создать электромоторы переменного тока?

Можно, и они уже давно созданы. В таких моторах неподвижная часть (корпус) называется статор ом. На внутренней поверхности статора - три обмотки, три отдельные катушки с проводами, расположенные под углом 120° одна к другой.

Когда через такую обмотку пропускают ток, она становится электромагнитом. Катушки

Электродвигатели. Вверху - двигатель переменного тока; внизу - двигатель постоянного тока; в середине - упрощенная схема двигателя постоянного тока: одна рамка с током между полюсами магнита и несколько таких рамок, образующих обмотки якоря.

соединены так, что переменный ток подается в них не одновременно, а с маленьким сдвигом по времени. Магнитное поле каждой обмотки то усиливается, то ослабевает, то пропадает совсем. Получается, что магнитное поле бежит по внутренней поверхности статора - словно вращается внутри него. Оно может увлечь за собой любой проводник, потому что в первый момент, когда проводник еще неподвижен, вихрь магнитных силовых линий возбуждает в нем электрический ток. А далее все идет по законам движения проводника с током в магнитном поле.

В качестве подвижной части таких двигателей можно взять ротор, обмотанный проводом, но еще лучше сделать «беличье колесо» - клетку в виде цилиндра с параллельными прутьями. Концы прутьев соединяют медными кольцами.

В обмотку статора дают переменный ток; возникает вращающееся магнитное поле. Следом за ним начинает вращаться и «беличье колесо», совершая работу. Но скорость ротора никогда не достигает скорости вращения магнитного поля, он всегда немного отстает, магнитное поле как бы «скользит» вокруг ротора. Без такого скольжения невозможна работа двигателя, так как в роторе не будут индуктироваться токи, необходимые для движения в магнитном поле. Поэтому двигатели этого типа, созданные в 1889 г. русским ученым М. О. Доливо-Добровольским, названы асинхронными (это значит «неодновременные»).

По к. п. д. электродвигатели не имеют равных: больше 90% подведенной электроэнергии они превращают в полезную работу. Правда, не нужно забывать, что двигатели эти все-таки вторичные, а при выработке для них электрической энергии тоже неизбежны энергетические потери.

Рождающие ток

Нам осталось выяснить, какие машины вырабатывают электрический ток для двигателей, для освещения, для других целей.

Эти машины - генераторы постоянного и переменного тока. Они

Такие гидротурбины приводят во вращение роторы гидрогенераторов. Вверху- разрез одного агрегата. вода вращает рабочее колесо с лопастями, его вращение передается через вал ротору генератора.

очень похожи по устройству на те же электродвигатели. Мало того, вращайте каким-либо посторонним двигателем якорь электромотора постоянного тока, и он начнет давать ток - сделается генератором. В самом деле, если принудительно двигать проводник в магнитном поле, то в проводнике наведется (индуктируется) ток. Но по техническим соображениям генераторы переменного тока строят немного иначе, чем двигатели.

Возьмем для примера генератор переменного тока крупной тепловой электростанции.

Его статор имеет внутри обмотку - именно в ней при работе возникает электрический ток. А ротор представляет собой цилиндр с двумя магнитными полюсами - северным и южным. Если намагнитить ротор (для этого достаточно пропустить в полюсные обмотки постоянный ток от постороннего источника) и затем привести его во вращение, в обмотке статора появится переменный ток. Для возбуждения ротора чаще всего применяют отдельный небольшой генератор постоянного тока. Этот генератор «надевают» прямо на вал ротора. В самое последнее время в нашей стране разработана другая конструкция: вместо генератора-возбудителя действуют полупроводниковые выпрямители тока. Они отбирают ничтожную часть энергии самого генератора, выпрямляют переменный ток и полученным постоянным током питают обмотку ротора.

В Советском Союзе и во всей Европе принята частота переменного тока, равная 50 периодам в секунду. Иными словами, ток в течение секунды должен 50 раз течь в одну сторону и столько же в другую. Значит, и ротор генератора должен делать в секунду ровно 50 оборотов. В минуту это составит 3 тыс. оборотов. С такой скоростью и работают генераторы тепловых электростанций: их приводят в движение турбины, специально рассчитанные на такой ход.

А на гидроэлектростанциях? Там, особенно при небольшом напоре падающей воды, гидротурбины приходится делать очень крупными, иначе не получишь нужной мощности. Такую турбину нельзя раскрутить ни до 3000, ни даже до 1000 или 500 об/мин - многотонная махина лопнет от гигантских центробежных сил. Современные мощные гидротурбины делают не больше 100 об/мин. Как тут быть с генератором?

Выход найден. Ротор гидротурбогенератора - это «лепешка», колесо очень большого диаметра. И на своей окружности такое колесо несет не одну пару магнитных полюсов, а много пар - до 120. По форме ротора делается и статор. Его обмотка - это ряд проводников, соединенных последовательно, в непрерывную цепочку. Проносясь мимо проводников статора, полюсы наводят в них электродвижущую силу. Это происходит так же часто, как в генераторе тепловой станции, где скорость вращения 3 тыс.об/мин. Поэтому частота 50 периодов в секунду сохраняется и здесь.

Мощность современных электрических генераторов в нашей стране огромна - до 500 тыс.квт (проектируются и более мощные). Четыре таких генератора (их строят в нашей стране для Красноярской и других сверхмощных ГЭС) могут дать столько энергии, сколько было намечено ленинским планом ГОЭЛРО для всей России.

ФАБРИКА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И ТЕПЛА

Около ⁴/₅ всей электроэнергии, вырабатываемой в нашей стране, приходится на долю тепловых электростанций. Эти электростанции работают на каменном угле, торфе, сланцах или природном газе. Посмотрим, например, как работает современная электростанция на каменноугольном топливе.

Каменный уголь привозят по железной дороге, выгружают из вагонов и размещают на большом угольном складе. Крупные куски угля горят плохо и медленно. Значительно лучше сгорает угольная пыль. Поэтому сначала зубастые дробилки «разгрызают» уголь на мелкие куски, а потом в шаровых мельницах тяжелые стальные шары превращают их в мельчайшую пыль. Потоком горячего воздуха эта пыль вдувается в топку парового котла через специальные горелки. Сгорая на лету, угольная пыль превращается в яркий факел пламени с температурой до 1500°. Пламя нагревает воду в тонких трубках, которыми покрыты изнутри боковые стенки котельной топки, а раскаленные топочные газы устремляются по дымоходу. Они встречают сначала кипятильные трубки, превращая в пар уже нагретую пламенем воду. Затем газы подают в специальное устройство - экономайзер, подогревая в нем холодную воду, пополняющую запасы воды в котле, и, наконец,- в подогреватель воздуха. В нем нагревается воздух, поступающий в горелки котлов вместе с угольной пылью.

Уголь хорошо горит, если в топке сильная тяга. Неплохую тягу дает высокая труба элект-

Около⁴ /₅ всей электроэнергии, вырабатываемой в нашей стране, приходится на долю тепловых электростанций.

Мощная паровая турбина состоит из множества рабочих колес, которым пар отдает свою энергию. На снимке: сборка роторов паровой турбины.

ростанции. Но для огромных современных котлов этого мало - приходится дополнительно устанавливать мощные вентиляторы-дымососы.

Дымовые газы несут в себе много золы. Чтобы не загрязнять воздух, газы очищают в специальных золоуловителях, а золу увозят на золовые отвалы.

Видите, как много различных механизмов потребовалось только для того, чтобы топливо хорошо сгорало. Но они себя оправдали: 90% тепла, заключенного в угле, превратилось в энергию пара, и лишь 10% пропало без пользы - его унесли с собой дымовые газы и зола.

Итак, путь топлива окончен - оно сгорело, передав тепло воде. Вода в котле нагрелась и превратилась в пар. Но этот пар еще нельзя пускать в турбину: он недостаточно горяч и, остывая, быстро превратится в капельки воды. Поэтому пар прежде всего попадет в змеевики пароперегревателя, расположенного в дымоходе между кипятильными трубками и экономайзером. Там пар дополнительно нагревается до очень высокой температуры - в некоторых котлах до 500-600° при давлении 150-250 атм.

Такой сжатый и перегретый пар по паропроводам направляется в турбины. А турбины на электростанциях бывают различными как по мощности, так и по устройству. Есть маленькие одноступенчатые турбины мощностью в десятки киловатт, а есть многоступенчатые турбины-гиганты мощностью 300 тыс.квт. Сейчас конструкторы разрабатывают еще более крупные турбины - мощностью 500 и 800 тыс. и даже 1,5 млн.квт. Об устройстве и работе паровых

Паровой котел теплоэлектроцентрали: 1 - бункер для кускового угля; 2 - мельницы для приготовления угольной пыли; 3 - воздуховод для подачи в топку вместе с угольной пылью подогретого воздуха; 4 - воздухонагреватель; 5 - воздуховоды; 6 - вентилятор, прогоняющий воздух через воздухонагреватели; 7 - топочное пространство, заполненное экранными трубками; 8 - кипятильные трубки; 9 - пароперегреватель; 10 - экономайзер для подогрева воды; 11 - трубы, по которым в котел поступает вода; 12 - главный трубопровод для подачи пара к турбинам; 13 - барабан котла; 14 - бак с очищенной водой, предназначенной для возмещения потерь конденсата; 15 - паровая турбина; 16 - конденсатор; 17 - турбогенератор.

турбин подробно рассказано в статье «Двигатели и генераторы», поэтому здесь мы сразу перейдем к последующему этапу: посмотрим, что же будет с паром после того, как он отдаст свою энергию колесам турбин.

Чем выше температура и давление пара на входе в турбину и чем ниже они на выходе, тем больше энергии пара использует турбина. Чтобы снизить температуру и давление пара на выходе из турбины, его не выпускают в воздух, а направляют в конденсатор. Внутри конденсатора по тонким латунным трубкам непрерывно циркулирует холодная вода. Она охлаждает пар и превращает его в воду, называемую конденсатом. От этого давление в конденсаторе становится в 10-15 раз меньше атмосферного.

Итак, обессиленный пар заканчивает свой путь, превратившись в конденсат - очень чистую воду, не содержащую вредных химических или механических примесей. Такая очищенная вода очень нужна котлам, поэтому конденсат при помощи специальных питательных насосов вновь возвращают в котел.

Как видите, вода и пар на электростанции совершают движение по замкнутому кругу, как бы перенося энергию от топлива к паровым турбинам.

Обычно мощная паровая турбина имеет скорость 3 тыс.об/мин, и ее вал прямо соединен с валом электрического генератора, который вырабатывает трехфазный переменный ток частотой 50 периодов в секунду и напряжением 10-15 тыс.в. Электрическая энергия - главная «продукция» электростанции. Что же происходит с ней дальше?

На большинстве электростанций электрическая энергия делится на три потока. Часть ее направляется по кабельным линиям к различным потребителям, расположенным неподалеку. Другая, очень небольшая часть (до 8%) идет для собственных нужд в распределительное устройство, от которого питаются электрические двигатели всех механизмов самой станции - транспортеров, мельниц, вентиляторов, насосов и т. д.

Паровая турбина мощностью 300 тыс.квт на заводском испытательном стенде Харьковского турбинного завода.

Большая же часть электроэнергии предназначается для городов и заводов, находящихся за десятки и сотни километров от станции. На такие расстояния электроэнергию передают по высоковольтным линиям при напряжении 110, 220, 400, 500 и даже 800 тыс.в. Для этого на электростанции есть повышающая трансформаторная подстанция и распределительное устройство высокого напряжения. От него к городам и заводам расходятся высоковольтные линии электропередач.

Мы познакомились с тепловой электрической станцией, которая называется конденсационной, потому что весь пар, прошедший через турбины, попадает в конденсатор. От такой электростанции получают только электрический ток. Но ведь повсюду нужен и пар, чтобы приводить в движение паровые молоты

и прессы, сушить различные материалы. Пар и горячая вода необходимы баням, прачечным, столовым, а сколько горячей воды надо для отопления квартир в большом городе!

Готовить пар и горячую воду в небольших заводских и коммунальных котельных невыгодно, значительно лучше получать их с крупных тепловых электрических станций. Для этого на электростанциях устанавливают специальные теплофикационные турбины. Они состоят из двух частей - цилиндров высокого и низкого давления. Отрабатывает пар в цилиндре высокого давления, а в цилиндр низкого давления поступает уже только часть пара. Другую часть из турбины отбирают и направляют в теплообменник. Там турбинный пар (он ведь очень горячий) нагревает воду и превращает ее во вторичный пар. Турбинный пар идет потом своей дорогой в конденсатор электростанции, а вторичный пар отправляется в города и на заводы. В городе часть вторичного пара попадает в специальные теплообменники- бойлеры - и нагревает в них воду для отопления помещений и бытовых нужд в жилых домах. Так тепло от электростанции попадает к нам в квартиры.

Тепловые электростанции, которые дают одновременно электрическую энергию и тепло, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Конденсационные тепловые электростанции выгодно строить вблизи угольных месторождений или торфяных болот, если есть рядом подходящие водоемы. Пусть даже такая станция будет далеко от городов и заводов - все равно электрический ток передать по проводам проще и выгоднее, чем возить топливо, особенно низкокалорийное,- торф, бурый уголь и т. д.

Из турбины пар поступает в конденсатор, где, охлаждаясь, превращается в воду.

Зато возле городов и крупных заводов выгоднее строить теплоэлектроцентрали. Они будут снабжать город и теплом, и электрической энергией. Исчезнут маленькие котельные на заводах и в жилых домах. А если ТЭЦ будут работать на природном газе, тогда не понадобятся и составы с углем, и угольные склады. Исчезнут угольная пыль и дым, чище станет воздух.

В нашей стране строится много заводов и фабрик, шахт и рудников, растут новые города. Чтобы вовремя обеспечить их электроэнергией, сооружаются новые электростанции. Построить тепловую электростанцию значительно проще, быстрее и дешевле, чем соорудить гидроэлектростанцию с плотиной на большой реке, поэтому сейчас строят преимущественно тепловые электростанции, мощность которых в ряде случаев достигает 2-3 млн.квт.

РАДИОПЕРЕДАТЧИК «ВЫСЛУШИВАЕТ» МАШИНУ

Своевременная проверка температурного состояния турбогенераторов очень важное дело. Не заметишь вовремя, машина может перегреться и выйти из строя. Лучше всего, конечно, проверять температуру машины каким-нибудь точным аппаратом. Но до недавнего времени таких аппаратов не было.

Польским инженерам с Вроцлавского завода радио- и электрооборудования удалось создать аппарат для проверки температурного состояния турбогенераторов. Это транзисторный радиопередатчик с электродатчиками. Он очень маленький: 15X12X3 мм. Также незначителен и вес его - 25 г. Этот поистине лилипут обладает мощностью в 50 микроватт.

Электродатчики транзисторного радиопередатчика «выслушивают» работающие турбогенераторы и с неукоснительной точностью сообщают о своих наблюдениях радиопередатчику. А транзистор в свою очередь передает полученные сведения о процессах, происходящих в генераторах, людям.

Так радиоэлектроника помогает монтерам, техникам, инженерам сохранять правильный режим работы турбогенераторов.

КАК РАБОТАЕТ ГЭС

Люди давно научились использовать энергию движущейся воды. Если до половины погрузить в реку колесо с лопастями на ободе, то оно начнет вращаться, потому что вода будет увлекать за собой нижние лопасти колеса. Примерно так работали (и кое-где работают до сих пор) водяные мельницы. Водяное колесо в них насажено на вал жернова. Вращает вода колесо - вращается и жернов, мелет зерно.

Но вот сто с лишним лет назад появился более совершенный водяной двигатель - гидравлическая турбина (сокращенно - гидротурбина). Появились генераторы, превращающие механическую работу в электрическую энергию (см. ст. «Двигатели и генераторы»). И к концу XIX в. началось сооружение гидроэлектрических станций - ГЭС.

Прямо в русле реки, даже с быстрым течением, ставить турбины нельзя: у реки не хватает силы проворачивать тяжелую турбину. Другое дело на водопадах: там вода стремительно летит вниз, у нее большой напор.

Но водопадов не так много, да и не очень удобно ставить возле них турбины. Поэтому придуманы искусственные водяные «ступеньки» - плотины.

напор создается разностью уровней воды. Поэтому говорят, что водяное колесо вращается под напором в столько-то метров.

Если перегородить реку прочной плотиной, а в теле плотины оставить только небольшое отверстие, то вся вода, что есть в реке, должна будет протекать через это отверстие. Значит, перед плотиной река поднимется и разольется, а за" плотиной останется на прежнем уровне. Появится разница уровней, возникнет напор воды.

Поставим у отверстия плотины гидротурбину - и она начнет вращаться, используя напор воды. Соединим турбину с генератором- его ротор тоже придет в движение, в обмотке статора появится ток.

Заметьте: напор перед плотиной сохраняется круглый год, потому что вода запасается в водохранилище, искусственном море, и стекает равномерно, хотя зимой и летом река несет меньше воды, а осенью и весной - больше.

Впрочем, есть и гидроэлектростанции без плотин. Например, на горных реках плотины получаются очень высокими и дорогими. В этих случаях воду из реки подводят к электростанциям каналом или тоннелем, называемыми деривационными. В конце деривационного отвода строят здание ГЭС и соединяют трубами канал и гидроэлектростанцию. Теперь часть воды идет по своему руслу, а часть совершает такой маршрут: канал - трубы - турбины ГЭС - русло. Конечно, все это самотеком, потому что канал начинается гораздо выше ГЭС, а впадает обратно в реку ниже.

Принцип работы любой ГЭС прост. Но устройство ее, конечно, не простое. Современная ГЭС - сложное предприятие, насыщенное разнообразными автоматами. Недаром здание машинного зала, плотину, шлюзы, трансформаторные станции, рыбоподъемники называют общим словом гидроузел.

Плотину строят из земли или железобетона. Очень часто земля и железобетон работают рука об руку: там, где надо просто удержать воду, можно применить землю, а для водосливов, турбинных камер и вообще «активных» участков плотины нужен железобетон. В теле плотины на заранее рассчитанной высоте делают окна для пропуска воды во время паводка, иначе вода прорвала бы плотину. В остальное время окна закрыты стальными щитами.

Иногда, если нет надобности строить плотину очень высокой, ее делают ниже уровня максимального подъема воды во время паводка. И тогда каждую весну излишняя вода просто-напросто переливается через водосливный участок гребня плотины.

В подводной части плотины проложены трубы для подвода воды к турбинам. Они прикрыты решетками, улавливающими камни, поленья, ветки. В трубах устроены затворы.

Плотина Биказ на реке Бистрице (Румынская Народная Республика).

Нажим кнопки - и путь воде закрыт. Это нужно при остановках турбины.

Поток воды под напором входит в трубу и отсюда в спиральную камеру, напоминающую улитку. Двигаясь внутри камеры все ближе и ближе к центру, водяная масса закручивается. А в центре камеры - колесо турбины. Но вода не сразу попадает на колесо, потому что оно обнесено «забором» - крепкими стальными лопатками, направляющими воду (направляющим аппаратом). Каждая лопатка может поворачиваться на своей оси. Повернутся лопатки так, что плотно сомкнутся одна с другой,- и вода

Напор, созданный плотиной, заставляет вращаться турбинное колесо, а с ним вместе и ротор генератора. По такой схеме построена, например, Братская ГЭС, панораму которой вы видите на снимке.

в турбину не пройдет. Приоткроются чуть-чуть - воды пойдет немного. А станут по движению воды - она почти беспрепятственно будет проникать в турбину. Это, как говорят энергетики, режим полной нагрузки.

Но вот вода прошла сквозь направляющий аппарат. На ее пути - лопасти рабочего колеса турбины. Понятно, что вода заставит лопасти двигаться, отдаст им свою энергию. А этого нам только и надо. Вода вращает турбину!

Теперь воде нужно уйти. Куда? Опять в трубу, но только в другую - отсасывающую. Очень важно, чтобы вода шла по этой трубе спокойно, без вихрей и препятствий, тогда турбина будет хорошо использовать напор. Поэтому отсасывающие трубы делают гладкими и немного расширяющимися к нижнему концу. Из этого открытого конца вода вытекает в русло реки и уходит по течению.

Не всегда турбины находятся в теле плотины или поблизости от нее. Иногда воду под напором подают из водохранилища к турбинам по длинным трубам или тоннелям. Так будет, например, на ГЭС при высотной Асуанской плотине на р. Ниле.

Итак, рабочее колесо турбины вращается. С ним вращается и вал, связывающий рабочее колесо с ротором электрической машины - генератора переменного тока.

Мингечаурская ГЭС на реке Куре (Азербайджанская ССР). Внизу - схема гидроэлектростанции с земляной плотиной.

Железобетонная плотина. В ее теле турбины и генераторы. Рядом на фотографии: ГЭС на реке Арде (Народная Республика Болгария).

Генератор вырабатывает переменный ток напряжением от 10 до 18 тыс.в.

Но, оказывается, электроэнергию в таком виде невыгодно передавать на большие расстояния. Вот если повысить напряжение в 10- 15 раз, тогда другое дело: сила тока упадет, и он, проходя по проводам, будет меньше нагревать их. Станет меньше потерь, не понадобятся толстые и тяжелые провода.

Напряжение повышают на электростанции простые приборы - трансформаторы. Это стержни-сердечники, собранные из тонких листов мягкой стали. На каждом - две обмотки: одна с небольшим числом витков толстой медной проволоки, вторая с немногочисленными витками более тонкого провода. Мы подаем напряжение, скажем, в 10 тыс.в на первичную обмотку, а со вторичной получаем сразу 100 или 200 тыс.в - во столько раз больше, во сколько больше витков на вторичной обмотке. Чтобы трансформаторы не сильно нагревались при работе, их погружают в баки с жидким маслом, хорошо отводящим тепло. Итак, чем выше напряжение (и, значит, меньше сила тока), тем выгоднее передавать энергию.

Наши крупные ГЭС не имеют равных в мире по мощности. Совсем недавно чемпионом была Волжская ГЭС им. XXII партсъезда - 2 млн.350 тыс.квт. Сейчас пальму мирового первенства держит Братская ГЭС - четыре с половиной миллиона. А скоро войдет в строй Красноярский энергетический гигант - станция мощностью в 5 млн.квт.

Вспомним, что турбины прославленного Днепрогэса имеют общую мощность в 650 тыс.квт, и тогда особенно яркой станет такая цифра: на р. Лене предполагается соорудить гидроузел с электростанцией в 20 млн.квт.

Советские ученые и конструкторы непрерывно ищут новые способы быстрого строительства ГЭС, создают для них необыкновенные машины. Есть предложение, например, перегораживать реку сомкнутыми кольцами, составленными из железобетонных труб, а внутри колец помещать турбины, генераторы и т. д. Расчеты показали, что это экономнее, прощен легче. Советские инженеры изобрели турбину двойного действия: под напором воды одно из ее рабочих колес вращается вправо, другое влево. Это дает скачок быстроходности и большую экономию металла.

...Шагают по стране стальные и бетонные мачты-опоры. Несут на своих плечах провода с дешевой электроэнергией, «выловленной» из рек умом и волей человека.

АТОМНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Энергия вокруг нас

Вы уже знаете, что самая удобная энергия электрическая. Нашу страну перепоясывают линии высоковольтных передач, появляются все новые и новые электростанции. До сих пор электричество вырабатывали только тепловые и гидравлические станции. Вы уже прочитали об их работе. А в 1954 г. появилось еще одно название - атомная электростанция (АЭС). В основу этого нового типа электростанций легли теоретические и экспериментальные работы советских ученых во главе с акад. И. В. Курчатовым.

Ученые давно указывали, что в ядрах атомов скрыты поистине сказочные запасы энергии, которую можно освободить. Но человечество получило первую крошечную часть этих запасов совсем недавно - в конце 30-х годов нашего столетия. Оказалось, что ядра тяжелых элементов - урана и тория, сталкиваясь с нейтральными частицами - нейтронами, распадаются на осколки. Разлетаясь с огромной скоростью, эти осколки могут передать веществу, в котором они движутся, часть своей энергии. При делении появляются новые нейтроны. Они вызывают распад ядер других атомов. Так может возникнуть цепная реакция.

На этой основе была сконструирована атомная (правильнее было бы говорить «ядерная») бомба. В ней внутриядерная энергия освобождается мгновенно - со страшным взрывом. Но ученые выяснили, что можно построить установки, в которых ядерная энергия будет выделяться замедленно. Называются такие устройства атомными котлами или ядерными реакторами, а протекающие в них реакции - управляемыми.

Если паровые котлы и двигатели внутреннего сгорания сжигают тонны горючего, то атомные реакторы такой же мощности расходуют не тонны, а граммы. А в природе этого горючего достаточно - разведанные запасы урана и тория в 20 раз превосходят по количеству скрытой в них энергии все известные мировые запасы угля и нефти.

«Сердце» АЭС

Единственное, что нам не покажут на действующей атомной электростанции,- это реактор. Потому что атомный реактор скрыт за тяжелой бетонной и водяной защитой. Его опасное излучение не должно достигать людей. А по реакторному залу можно прогуляться. Можно даже наступить на плиту, под которой расположен атомный котел,- между нашими ногами и реактором находится толстая бетонная кладка или мощный слой воды.

Реактор состоит из следующих главных частей.

Во-первых, это ядерное топливо - чаще всего обычный или обогащенный уран. В реактор его помещают в виде тонких длинных стержней. Природный уран состоит из смеси двух уранов, двух изотопов с атомными весами в 235 и 238 единиц (U-235 и U-238).

Ядра урана-238 капризны. Для деления им нужны нейтроны только очень высоких энергий. А нейтроны, рождающиеся при делении, быстро теряют скорость; такие нейтроны уран-238 может только захватить без всякой пользы - захватить и не разделиться. Зато урану-235 «по сердцу» нейтроны медленные. Чем медленнее, тем лучше. Но в природном уране всего лишь 0,7% урана-235. Поэтому ядерное топливо приходится обогащать, искусственно увеличивать этот процент. Обогащенное топливо, конечно, дороже, потому что искусственное обогащение - дело сложное.

Вторая главная часть реактора - замедлитель нейтронов. В самом деле, если родившийся при делении ядра нейтрон ничем не затормозить, он не будет захвачен другим ядром «рабочего» урана-235. Быстрый нейтрон попадет «в плен» к урану-238, а этот уран в обычном реакторе - бездельник. И нейтрон пропадет без пользы.

Очень хороший замедлитель - графит. Еще лучше тормозит нейтроны тяжелая вода (такая, в которой атомы водорода замещены атомами тяжелого водорода - дейтерия). Но в качестве замедлителя пригодна и обыкновенная вода. Летящий нейтрон отдает часть своей энергии ядрам замедлителя и теряет скорость. Теперь он готов к встрече с очередным ядром урана-235.

Третья главная часть реактора - отражатель. Это тот же замедлитель, но расположенный вокруг реактора. Его атомы отражают нейтроны, стремящиеся покинуть котел.

Наконец, есть в реакторе стержни, которые то поднимаются, то опускаются. Это - регулирующие стержни, бдительные стражи установки. Изготовлены они из жадно поглощающих нейтроны материалов. Чем глубже такие стержни погружены в реактор, тем больше нейтронов поглощают ядра их атомов. Точнейшая автоматика связывает регулирующие стержни с чуткими приборами - регистраторами нейтронного потока. Из самых отдаленных участков реактора идут сигналы о том, сколько там нейтронов: не повысилось ли их число (это опасно!), не стало ли их слишком мало (тогда упадет мощность котла). А на случай возникновения опасности какой-нибудь катастрофы есть еще аварийные стержни. По сигналу тревоги они падают внутрь реактора, «поедают» движущиеся нейтроны, и цепная реакция сразу же останавливается.

Освобожденную внутриатомную энергию надо передать турбинам, которые будут вращать валы генераторов.

Осколки, образующиеся при делении ядер тяжелых атомов, с колоссальной скоростью разлетаются и уносят с собой освобожденную энергию. Замедляясь, они передают энергию окружающим атомам. В результате повышается температура. И тут на арене появляется еще одна важная часть реактора - теплоноситель.

Он-то чаще всего через посредника - так называемый второй контур - и передает тепло паровой машине или турбине, а потом возвращается за новой «порцией» теплоты.

В качестве теплоносителя в современных котлах применяют воду, расплавленные металлы, газы.

Так выглядит зал атомной электростанции, в котором расположен ядерный реактор.

Первые киловатт-часы

Первенец ядерной энергетики - советская атомная электростанция, построенная недалеко от Москвы, в г. Обнинске, дала ток 27 июня 1954 г. Этот день по праву можно считать первым днем эры мирного атома.

В реактор первой «атомной фабрики электричества» погружено 128 семиметровых стержней с графитовым замедлителем - 550 кг ядерного топлива. Для передачи тепла действуют две замкнутые системы из металлических труб - два контура. В них циркулирует вода, очищенная от всех примесей. Вода первого контура движется в котле сверху вниз через урановые стержни, нагревается и идет в парогенератор. Здесь, проходя по трубкам, она отдает тепло воде второго контура, омывающей трубки. Таким образом вода первого контура нагревает воду второго.

Оба контура замкнуты, и вода в них не смешивается. Это не случайно. Ведь вода первого контура находится под действием нейтронов и сама становится радиоактивной. Значит, появляется источник излучений, опасных для людей. Другое дело - вода второго контура. Это обычная очищенная вода. Она не приносит вреда ни людям, ни машинам. Пар этой воды и движет турбину.

Чем горячее пар, попадающий в турбину, тем выше ее коэффициент полезного действия. Чтобы вода второго контура сильнее нагревалась и легче превращалась в пар, нужно как можно выше поднять температуру воды первого контура. Но кипеть она не должна. Для этого давление в первом контуре повышают до 100 атм. При таком большом давлении вода остается водой и не превращается в пар даже при температуре в 280°. Во втором же контуре, наоборот, необходимо, чтобы вода скорее закипела. Поэтому давление здесь небольшое.

Отдав свое тепло в парогенераторе и охладившись с 270 до 190°, вода первого контура снова возвращается в реактор, чтобы забрать очередную «порцию» тепла.

Управление атомной электростанцией сосредоточено на центральном щите. Сюда приходят сигналы от приборов, бдительно следящих за работой этого сложного механизма - за температурой, давлением, количеством нейтронов.

Две большие атомные электростанции в нашей стране имеют реакторы несколько иного устройства - водо-водяные. Вместо графита замедлителем в нем служит обычная вода, теплоносителем - тоже вода. Интересно, что одна

из этих электростанций совершает путешествие по воде!

Находится эта АЭС на ледоколе «Ленин» - флагмане арктического флота Советского Союза. Большой, 134-метровый ледокол может около года плавать, не заходя в порт. Три мощных электродвигателя ледокола работают на электричестве, вырабатываемом его собственной атомной электростанцией.

Водо-водяной реактор стоит и на самой мощной в нашей стране Ново-Воронежской АЭС. Более 550 тыс.квт будут вырабатывать турбины этой станции.

Белоярская АЭС

Полная мощность Белоярской электростанции, носящей имя И. В. Курчатова,-300 тыс.квт. Это около половины мощности Днепрогэса. Есть у нее просто сказочное свойство. Что бы вы сказали о печке, в которой горят дрова, а их количество не уменьшается? Дров даже становится все больше! Колдовство, да и только. Но, конечно, никакого колдовства нет. Есть умное использование открытий ядерной физики. Как мы говорили, в атомном котле ядра урана-238 захватывают драгоценные нейтроны и как будто наносят ущерб всему делу. Но и эти нейтроны не пропадают. Ядро урана-238, захватившее нейтрон, претерпевает изменения. Сначала оно преобразуется в ядро нового элемента - нептуния, который в свою очередь дает очень важный элемент - плутоний. А ядра плутония очень напоминают ядра урана-235. Они столь же охотно захватывают нейтроны любых энергий и превосходно распадаются, выделяя энергию. Подобно урану-238 ведут себя ядра еще одного тяжелого элемента - тория. После захвата нейтрона ядро тория превращается в ядро еще одного уранового изотопа - урана-233. А он, как и плутоний, способен делиться.

Вот и родилась у ученых блестящая идея- окружить блоки урана-235 блоками урана-238 или тория. Нейтроны, избежавшие захвата в «рабочем» уране, будут задерживаться этой «подушкой». И на смену утраченным, «выгоревшим» ядрам урана-235 появятся новые, столь же полезные ядра плутония или урана-233. Такие реакторы называются воспроизводящими.

Правда, и в реакторах атомохода «Ленин» тоже происходит воспроизводство горючего за счет превращения урана-238 в плутоний. Это на 10-20% увеличивает фактическое количе-

СХЕМА РАБОТЫ ПЕРВОЙ В МИРЕ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Вода первого контура забирает тепло, выделяющееся при делении ядер урана, и передает его воде второго контура. Пар этой воды подается к турбине и вращает вал генератора.

ство горючего в реакторе. Но урановые блоки в Белоярской АЭС устроены так, что в них воспроизводится несколько больше топлива. Однако главная особенность новой мощной советской атомной электростанции в другом - в том, что пар здесь перегревается непосредственно в реакторе.

Как и в других реакторах, теплоносителем здесь служит вода. Под давлением в 150 атм она нагревается от 300 до 320°. Затем, как обычно, вода этого первого контура мчится в парогенератор и создает там пар из воды второго контура. А вот дальше этот пар снова посылают в реактор. И турбины получают пар, правда, слегка радиоактивный, но зато нагретый до 500° под давлением 110 атм.

Реактор Белоярской АЭС работает не один год, не требуя новых порций топлива. Стальной цилиндр реактора окружен метровой водяной рубашкой. Эта мощная защита перехватывает и нейтроны, и всевозможные излучения атомного котла.

А что впереди?

Мы познакомились с тремя видами работающих атомных электростанций. Реактор «первой в мире» - уран-графитовый, теплоноситель - вода. На Белоярской АЭС как будто то же самое, но топливо частично воспроизводится и перегрев пара происходит в реакторе. На Ново-Воронежской АЭС и на ледоколе «Ленин» вода «работает» и теплоносителем, и замедлителем. Графита здесь нет. Но на всех этих трех электростанциях топливо - уран - запрессовано в тонкие длинные стержни. Вода со всех сторон омывает эти стержни - тепловыделяющие элементы.

Такие реакторы называют неоднородными. В них можно сразу определить, где топливо, где замедлитель, где переносчик тепловой энергии. Но ученые сконструировали и однородные реакторы. Там соли урана растворены в тяжелой воде. Такие однородные котлы обладают лучшей способностью саморегулироваться. Если число делений урана в них начинает возрастать, то сразу же увеличивается выход энергии. Температура жидкости повышается, жидкость расширяется, расстояние между соседними ядрами урана увеличивается, число делений падает. Точно так же компенсируется и слишком сильное уменьшение числа делений.

Советские инженеры первыми разработали очень интересный проект блочной передвижной электростанции с органическим замедлителем и теплоносителем.

Чтобы нейтроны хорошо и быстро замедлялись, замедлитель должен состоять из самых легких атомов. Водород воды, углерод графита вполне подходят для этой цели. А органические вещества? Это ведь как раз соединения водорода и углерода. Жидкие углеводороды превосходно работают как замедлители. И тепло они тоже могут переносить. В 1963 г. дала ток первая в мире советская опытная АЭС такого типа. Правда, мощность ее небольшая, как и полагается экспериментальной установке,- всего лишь 750 квт. По этому принципу теперь начинают строить и большие электростанции.

Проектируются и такие АЭС, где переносом тепла займется жидкий металл, например натрий. Из физики известно, что чем выше температура теплоносителя, тем больше тепла он может перенести. Поэтому и обратились к жидким металлам. Там, где обычная вода вскипит, жидкий натрий только нагреется.

Много забот отнимает у конструкторов защита реактора. Атомные котлы своими толстыми стенами напоминают средневековые крепости. А что если выбросить из реактора замедлитель? Как будто странное предложение: ведь такой реактор не будет работать.

Что ж, реактор на медленных нейтронах без замедлителя действительно никому не нужен. Цепная реакция в нем никогда не возникнет. Но если горючее будет чистым ураном-235 или плутонием, что тогда? Ядра этих элементов прекрасно делятся нейтронами любых энергий; выходит, нейтроны там вовсе не нужно замедлять.

Так появился на свет маленький реактор. Маленький, конечно, только по размерам. Называется такой реактор РБН, что означает «реактор на быстрых нейтронах». Этот реактор - в точности обузданная атомная бомба, «взрывчатым веществом» которой служит или плутоний, или уран-235. Поэтому работа с РБН была очень сложной и напряженной. Но зато какой выигрыш в размерах! Несомненно, для атомных двигателей инженерам придется воспользоваться именно такими реакторами. В одном из опытных РБН тепло переносит ртуть, а в другом - расплавленный натрий.

Перспективы развития атомной энергетики довольно ясны. Ядерные реакторы будут применяться все более и более широко. Особенно привлекают внимание специалистов воспроизводящие ядерные котлы. Одна из важнейших областей атомной физики - реакторостроение - уже полностью перешла в руки инженеров. А ученые идут вперед, в разведку, и находят все новые пути покорения атома.

«Ромашка» - реакторно-термоэлектрическая установка, на которой впервые осуществлено прямое преобразование тепловой энергии, получаемой в ядерном реакторе, в электричество. Ее мощность- 500 вт.

ПЕРЕМЕННЫЙ И ПОСТОЯННЫЙ ТОК В ТЕХНИКЕ

В наше время электрический ток используется во всех отраслях народного хозяйства. И мы знаем, что ток бывает двух видов: постоянный и переменный. Напомним, что при постоянном токе электроны в электрической цепи движутся все время в одном направлении, а при переменном токе непрерывно меняют направление. Какой же ток - переменный или постоянный - больше нужен технике и промышленности?

Передача электрической энергии на большие расстояния возможна только при высоких напряжениях тока, достигающих 110, 220, 400 и даже 500-800 тыс.в. А генератор электрической станции способен создать напряжение не выше 20 тыс.в. В то же время для различных электрических машин и аппаратов нужен электрический ток напряжением всего в несколько десятков или сотен вольт. Вот здесь переменный ток оказывается незаменимым. Ведь он позволяет с помощью трансформаторов легко изменять напряжение в любых пределах: повышать на электростанциях для передачи на большие расстояния и снова понижать непосредственно у потребителей.

В конце прошлого столетия русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский получил трехфазный переменный ток, обладающий очень важными достоинствами. Во-первых, трехфазные линии электропередач выгоднее однофазных: по ним при той же затрате проводов и изоляции можно передать больше энергии, чем по однофазным. А во-вторых, благодаря свойству трехфазного переменного тока создавать вращающееся магнитное поле удалось построить очень простые и надежные асинхронные электрические двигатели, которые сейчас широко используются для привода станков и машин.

Переменный ток приводит в движение различные станки и машины на фабриках и заводах, плавит руду в электропечах, поднимает грузы в портах и на стройках, «работает» в шахтах, освещает наши города и села.

Вот эти качества переменного тока позволили ему занять ведущее положение в технике и послужили причиной того, что в наши дни все промышленные электростанции вырабатывают только трехфазный переменный ток.

Больше половины вырабатываемой электрической энергии потребляют электрические двигатели. Кроме простых асинхронных двигателей, не имеющих обмотки на роторе, есть двигатели с обмоткой и контактными кольцами на роторе. Такие моторы развивают большие усилия при трогании с места, и поэтому их чаще всего применяют на подъемных кранах. Есть еще синхронные двигатели, имеющие постоянную скорость вращения. Благодаря этому они применяются в машинах и механизмах, требующих постоянной скорости движения независимо от их нагрузки: в эскалаторах метрополитена, в больших водяных насосах, электрических часах и др. Электрические двигатели бывают маленькими, меньше катушки ниток, и огромными, как карусель.

Применение для привода станков сразу нескольких электрических двигателей позволило устранить сложную систему передач, упростить механизмы станков, облегчило управление ими и дало возможность создать автоматические линии.

Малые размеры и простота электрических двигателей позволили использовать электрическую энергию там, где раньше применялся только ручной труд. Электрические дрели, пилы, рубанки, гайковерты и другой инструмент намного облегчили труд рабочих, сделали его более производительным. Электрические полотеры, пылесосы, стиральные машины и холодильники пришли на помощь домашним хозяйкам. А еще раньше в домах появились электрические чайники, утюги, плитки.

Переменный ток - хороший источник тепла. В мощных дуговых электропечах плавят и варят металл. Электрические печи широко используются в установках «искусственного климата», для обогрева сушильных шкафов и помещений, нагрева металлов и т. д.

Электрические лампочки светят независимо от того, какой ток идет через их нити: переменный или постоянный. Но передача переменного тока более экономична, и трансформаторы позволяют легко получать и поддерживать необходимое напряжение. Поэтому осветительная сеть городов и сел питается переменным током.

Но вот мы сели в трамвай, троллейбус, в вагон метро, в пригородную электричку - и сразу попали во владения постоянного тока. Дело в

Постоянный ток приводит в движение электрифицированный транспорт, сложные станки и прокатные станы, помогает наносить металлические покрытия на изделия и сваривать металл; работает он и в тех приборах и механизмах, источником тока для которых служит аккумуляторная или гальваническая батарея.

том, что простые и удобные электрические двигатели переменного тока не позволяют плавно менять скорость своего вращения. А изменять скорость движения приходится почти непрерывно; с такой работой может хорошо справиться только тяговый двигатель постоянного тока.

Питание таких двигателей осуществляется от специальных тяговых выпрямительных подстанций, на которых переменный ток преобразуется в постоянный, а затем подается в контактную сеть - в провода и рельсы.

Но ученые и инженеры задумались, нельзя ли на транспорте применить переменный ток. Оказалось, можно. И уже сейчас на многих железных дорогах в контактных проводах течет переменный ток напряжением до 25 тыс. в, а в дальнейшем переменным током будут электрифицированы все железные дороги. Но двигатели электровозов по-прежнему работают на постоянном токе: выпрямительные установки, превращающие переменный ток в постоянный, в этом случае находятся также на электровозах.

При помощи электрических двигателей постоянного тока приводятся в движение колеса тепловозов, механизмы прокатных станов, шагающих экскаваторов и многих других машин.

Есть и еще большая и важная область, в которой переменный ток не может соперничать

с постоянным. Речь идет об электролизе - процессе, связанном с прохождением тока через жидкие растворы - электролиты. Под действием постоянного тока электролит разлагается на отдельные элементы, которые осаждаются на опущенных в электролит электродах. Таким способом получают алюминий, магний, цинк, медь, марганец. В химической промышленности при помощи электролиза добывают фтор, хлор, водород и другие вещества. С помощью электролиза наносят защитные покрытия на металлические изделия (см. ст. «Защита металла»).

Постоянный ток успешно соперничает с переменным в сварочном деле (см. ст. «Как сваривают металл»). При сварке постоянным током частички металла переносятся с электрода на изделие более правильно и шов получается лучше, чем при сварке переменным током.

Есть у постоянного тока еще одна особенность. Скорее не у самого тока, а у его источников. Чтобы получить переменный электрический ток, нужно непременно приводить в движение генератор, а постоянный ток могут давать неподвижные аккумуляторные батареи и гальванические элементы. Эти свойства источников электрического тока в ряде случаев заставляют отдавать предпочтение постоянному току. Например, как завести двигатель стоящего

АТОМНЫЙ РЕАКТОР И ПРЕСНАЯ ВОДА

Сорок миллионов литров в сутки - столько пресной воды требуется промышленному городу со стотысячным населением.

Но не везде есть столько пресной воды. Целинные земли, Донбасс, среднеазиатские республики, Закаспий природа обделила влагой.

Предлагались проекты трубопровода Волга - Закаспий и канала Днепр - Донбасс, чтобы таким сложным путем доставлять пресную воду.

Это довольно дорого.

Предлагали еще один способ - опреснение морской и очищение загрязненной рудничной воды. Для этого надо строить дистилляционные установки и в них выпаривать соль, выгонять грязь при очень высокой температуре. А раз высокая температура, то без угля пли другого топлива не обойтись. И пришлось бы загружать транспорт перевозками огромного количества топлива, а это очень дорого. Но современная техника помогла найти выход из положения: опреснение морской воды будет производиться с помощью атомной энергии.

В Закаспии с 1964 г. строится опытно-промышленный реактор на быстрых нейтронах. Мощность закаспийского реактора больше 1 млн. квт. Он даст горячий пар для новой электростанции на 150 тыс.квт и для большой опреснительной установки, которая будет производить 100 тыс.м³ пресной воды в год.

ПРЕДНАЗНАЧЕНО ПРИРОДОЙ

Если сложить четыре реки Европейской части нашей страны - Волгу, Каму, Днепр и Дон - в одну, то и тогда еще не получится прославленной реки Ангары. Она больше, полноводнее. Проект Ангарского каскада электростанций разработан уже давно и предусматривает сооружение шести мощных ГЭС.

Иркутская ГЭС, первая в Ангарском каскаде, уже работает. Дают ток и турбины знаменитой Братской ГЭС, которая по мощности вдвое превосходит североамериканский гигант Гренд-Кули. Строители уже на подходе к сооружению Усть-Илимской ГЭС.

За Ангарским последует другой сибирский каскад - Енисейский.

И когда они будут закончены - а произойдет это на глазах ныне живущих советских людей,- гидростанции Ангаро-Енисейского комплекса будут давать стране ежегодно 170 млрд. квт-ч дешевой электроэнергии.

на месте автомобиля? Достаточно нажать кнопку стартера, и двигатель постоянного тока, получая питание от аккумуляторной батареи, заведет мотор. А когда мотор работает, он вращает генератор, который вновь заряжает аккумуляторную батарею. Такой обратимый процесс недоступен для переменного тока.

На многих шахтах работают электровозы с аккумуляторными батареями, а в цехах заводов, на вокзалах и на складах часто можно встретить небольшие электрические тележки с аккумуляторами - электрокары.

Большие аккумуляторные батареи используются для питания устройств сигнализации, управления и аварийного освещения на электростанциях, в поездах и даже в троллейбусах. Легкие аккумуляторы и гальванические батареи применяются в переносных радиостанциях, в радиоприемниках, в электрических фонарях, измерительных и других приборах.

А вспомните об искусственных спутниках Земли и космических кораблях: на них установлены полупроводниковые солнечные батареи - они тоже дают постоянный электрический ток (см. ст. «Полупроводники в технике»).

Прежде чем закончить наш рассказ, вернемся ненадолго к его началу - к передаче электрической энергии по проводам. Передаваемые мощности и длина линий электропередач непрерывно возрастают, и приходится повышать напряжение до 500 и даже до 800 тыс.в.

И вот оказалось, что при этих условиях передавать электрическую энергию выгоднее на постоянном токе. Вдвое лучше используется изоляция, увеличивается пропускная способность воздушных линий электропередач, уменьшается количество проводов... Важно, что отпадет необходимость в сложном процессе синхронизации при включении линий, соединяющих большие электростанции или энергетические системы. Этого, пожалуй, вполне достаточно, чтобы доказать целесообразность использования постоянного тока для сверхдальних передач энергии. Правда, для получения постоянного тока высокого напряжения и последующего преобразования его в переменный ток низкого напряжения нужны очень сложные и дорогие преобразовательные подстанции. Но, несмотря на это, расчеты показывают, что в ряде случаев для сверхмощных и сверхдальних электропередач все же выгоднее использовать постоянный ток. Поэтому сейчас уже ведутся работы по сооружению таких линий электропередач на постоянном токе.

Конечно, перечисленными здесь примерами далеко не исчерпываются все области применения электрической энергии. Здесь ничего не сказано об ее использовании для телеграфной и телефонной связи, для радио и телевидения и прочих целей, но об этом вы прочтете в других статьях этого тома. Ясно одно: нам нужен и переменный и постоянный ток и никогда один из них не вытеснит другого. Наоборот, разумное применение обоих позволяет лучше и полнее использовать электрическую энергию на благо человека.

ЭНЕРГЕТИКА БУДУЩЕГО

Наша планета - гигантская кладовая энергии. На долю Советского Союза приходится около 11% всех мировых энергетических запасов. Это очень много. Но мы пользуемся пока лишь ничтожной частью своего энергетического богатства - углем, нефтью, торфом, сланцами, природным газом, энергией рек и ветра и, в последнее десятилетие, атомной энергией.

Задумываясь о будущем энергетики, ученые работают в двух направлениях: во-первых, ищут новые запасы энергии в природе; во-вторых, стремятся найти наиболее простые и выгодные способы для получения из этих запасов электричества - самого удобного вида энергии.

Приливы за работой

Советскому ученому Л. Бернштейну и его французскому коллеге Р. Жибра принадлежит «открытие» запасов энергии в морских приливах и отливах. Слово «открытие» стоит в кавычках потому, что об этой энергии люди знают много веков. Знать-то знают, но использовать по-настоящему до сих пор не умели. В ближайшие годы приливно-отливные электростанции наконец появятся.

Притяжение Солнца и Луны заставляет океанскую воду дважды в сутки наступать на берег и дважды отходить назад. Подсчитано,

что если разность уровней между приливом и отливом больше четырех метров, то электростанции будут хорошо работать. А таких мест на Земле много. У нас в стране это, например, Мезенский залив, устье р. Кулоя, Лумбовский залив, побережье Охотского моря.

Для постройки приливно-отливной электростанции (ПЭС) находят на берегу узкий залив и отсекают его от океана плотиной. В отверстия плотины вставляют гидротурбины с генераторами (см. ст. «Двигатели и генераторы»). Сейчас спроектированы обтекаемые капсулы, в которых заключены и турбина, и генератор. Эти, как их назвали, капсульные агрегаты наиболее удобны для ПЭС.

Идет прилив - вода наполняет бассейн ПЭС, и рабочие колеса капсульных агрегатов под действием движения воды вращаются. Станция дает ток. Начался отлив - вода уходит из бассейна в океан, по пути опять-таки вращая рабочие колеса, только в обратную сторону. И снова станция дает ток, потому что капсульный агрегат одинаково хорошо работает при вращении колеса в любую сторону.

Но вот пауза между приливом и отливом. Колеса останавливаются. Как тут быть?

Энергетики нашли хороший выход из положения. ПЭС не будут работать в одиночку. Провода свяжут их с другими электростанциями, с тепловыми например. Получится энергетическое кольцо, каждый участок которого будет хорошо помогать остальным. Во время пауз соседи по кольцу помогут приливным станциям не только тем, что возьмут на себя их нагрузку. Нет, они еще подадут электроэнергию... в генераторы капсульных агрегатов. Тогда генераторы на время превратятся в электродвигатели и заставят вращаться рабочие колеса. Турбины, ставшие теперь насосами, погонят воду «вдогонку» приливу или отливу.

Если кончается прилив - они еще выше поднимут уровень в бассейне; если отлив - еще больше откачают воды в океан. Точный расчет показывает: этот расход энергии на перекачку воды прекрасно оправдывается - ПЭС будет работать намного ровнее.

А велика ли может быть средняя мощность ПЭС? Вот ответ: только в районе Мезенского залива можно получить от океана в несколько раз больше энергии, чем дает Братская ГЭС, пока величайшая в мире...

Из солнечного луча

Солнечная печь. Зеркала, стоящие вокруг, посылают лучи в параболический отражатель. Самая высокая температура получается в фокусе отражателя. Там помещают небольшой контейнер для нагреваемых предметов.

Каждый год Солнце доставляет на нашу планету 620 млн. млрд. квт-ч энергии. Это в 16 тыс. раз больше, чем нужно сегодня всему человечеству. Но как превратить солнечный луч в электрический ток?

Для этого предложено несколько способов - часть из них применяется уже в наши дни, часть принадлежит будущему. Самый привычный способ - нагревать солнечным теплом воду в паровом котле, посылать пар в турбину, с помощью турбины вращать электрический генератор.

Но хотя для концентрации солнечных лучей применяются сейчас крупные металлические отражатели, хотя параболическое зеркало солнечной печи в Фонт-Роме (Франция) дает в точке фокуса температуру около 3000°, этот способ многого не обещает. Солнце скрывается в облаках, день сменяется ночью; кроме того, плотность солнечной энергии невелика - всего около 1 квт на 1 м² земной поверхности. Значит, мощную электростанцию такого типа пришлось бы оснащать гигантскими отражателями - сложными и очень дорогими.

Гораздо проще превращать свет Солнца в электричество с помощью солнечных батарей; вы знаете, что эти батареи уже применяются на искусственных спутниках Земли. Но чистейший кремний (из него состоят батареи), обладающий способностью превращать свет в электроэнергию, тоже пока чрезвычайно дорог. Не очень высок и к. п. д. кремниевых батарей - около 11%.

Поэтому солнечные батареи - дело будущего. Они начнут работать на Земле тогда, когда наука и техника решат две трудные задачи: снизят стоимость получения чистого кремния и резко повысят к. п. д. кремниевых фотоэлементов.

Еще один интересный путь «улавливания» солнечных лучей - быстрое разведение в озе-

pax и искусственных водоемах микроскопических водорослей, являющихся хорошим топливом. Особенно интересна в этом смысле водоросль хлорелла пуроидоза: под действием солнечных лучей она размножается фантастически быстро. Из водоема площадью в 8 га (это не так уж много) каждый день можно извлекать топливо, равноценное тонне угля.

Хлореллу можно сжигать в топках котлов, во гораздо выгоднее гнать из нее горючий газ метан. Этот газ - превосходное топливо для электростанций, а остаток от перегонки хлореллы тоже очень ценен: удивительная водоросль содержит 50% белков и около 20% жира. А это пригодится как корм для скота и как сырье для химической переработки.

Подземный кипяток

Еще один крупный источник энергии скрыт глубоко под землей. Там, на глубине полутора, двух, а то и трех километров, существуют целые моря, заполненные горячей водой. Есть они у нас на Камчатке и, как оказалось, на Северном Кавказе, в Сибири и даже в Подмосковье, а также в Италии и Исландии. Вода в этих морях не только очень горяча, но и сжата колоссальным окружающим давлением. Поэтому достаточно пробурить к такому «морю» скважину, чтобы вода хлынула фонтаном.

Подземный кипяток можно использовать по-разному. Например, подогревать воду в плавательных бассейнах, как делают в исландской столице Рейкьявике, или пускать в бани и трубы отопления, как у нас в Махачкале. Но можно и строить электростанции. Такая геотермальная (подземнотепловая) электростанция действует в Лардорелло (Италия). Строится геотермальная станция и в Советском Союзе - на Камчатке.

Плазменный генератор

Наука твердо знает: превращение тепла в работу тем выгоднее, чем сильнее нагрет пар. Если на обычной современной электростанции поднять температуру пара до 1000-1500°, ее к. п. д. сам собой увеличится в полтора раза. Но беда в том, что сделать это никак нельзя - такой страшный жар очень быстро разрушит любую турбину.

Значит, рассуждали ученые, надо попробовать обойтись совсем без турбины. Надо по-

Солнечные батареи на искусственном спутнике Земли.

Геотермальная электростанция. Подземный пар по трубам идет к турбинам, и они вращают генераторы.

Струя горячей плазмы проносится между полюсами магнита. В плазме индуктируется ток. Над струей и под ней условно показаны электроды.

строить такой генератор, который бы сам превращал энергию струи раскаленного газа в электрический ток!

И построили. Помогла в этом молодая, быстро развивающаяся наука - магнитогидродинамика. Она изучает движение в магнитном поле жидкостей, проводящих электрический ток.

Обнаружилось вот что. Жидкость-проводник, помещенная в магнитное поле, ничем не отличается по поведению от твердого проводника, например металла. Но мы хорошо знаем, что происходит в металлическом проводнике, если его двигать между полюсами магнита: в нем наводится (или, как говорят, индуктируется) электрический ток. Значит, ток появится и в струе жидкости, если эта струя пересечет магнитное поле.

Однако построить генератор с жидким проводником все же не удалось. Струю жидкости нужно было разогнать до очень высокой скорости, а на это требуется громадное количество энергии, большая часть которой теряется в самой струе на завихрения. Вот тогда-то и явилась мысль: а не заменить ли жидкость газом? Ведь газовым струям мы давно умеем сообщать огромные скорости - вспомните хотя бы реактивный двигатель. Но эту мысль сразу же пришлось отбросить: ни один газ не проводит тока!

Получился как будто полный тупик. Твердые проводники не выдерживают высоких температур; жидкие не разгоняются до высоких скоростей; газообразные не проводники вовсе. Но...

Мы привыкли думать, что вещество может находиться только в трех состояниях - твердом, жидком и газообразном. А оно, оказывается, бывает еще и в четвертом состоянии - плазменном. Из плазмы, как теперь известно, состоит Солнце и большинство звезд.

Плазма - это газ, но ионизированный. В нем среди молекул попадаются заряженные ионы, т. е. «осколки» атомов с нарушенными электронными орбитами. Есть и свободные электроны. Ионы и электроны - носители электрических зарядов.

Но чтобы получить плазму, необходимо посильнее нагреть газ. С повышением температуры молекулы газа движутся все быстрее, они часто и сильно сталкиваются между собой. Наступает момент, когда молекулы постепенно распадаются на атомы. Но газ пока тока не проводит. Продолжаем его нагревать!

Вот термометр показал 4000°. Атомы приобрели высокую энергию. Их скорости огромны, а отдельные столкновения заканчиваются «катастрофически»: электронные оболочки атомов нарушаются. Это нам и нужно - теперь в газе есть ионы и электроны. Есть плазма!

Нагреть газ до 4000° - нелегкое дело. Лучшие сорта угля, нефти и природных газов дают при сгорании куда более низкую температуру. Как быть?

Сравнительно недавно ученые справились и с этой трудностью. Выручил калий - дешевый и распространенный щелочной металл. Оказалось, что в присутствии калия ионизация многих газов начинается гораздо раньше. Стоит добавить всего один процент калия к обычным топочным газам - продуктам сгорания угля и нефти, как ионизация в них начинается при 3000° и даже чуть ниже. Плазма есть - можно строить генератор.

ТЭС-3

Эти три буквы и одна цифра означают: 3-й вариант транспортабельной электростанции. Эта первая в мире Передвижная атомная электростанция смонтирована на четырех вездеходах. И вместе с вездеходами, с ядерным горючим она весит всего 350 т. В неразобранном виде ТЭС-3 легко разместить на четырех железнодорожных платформах и поставить в любое место. А туда, где нет железной дороги, ТЭС-3 придет своим ходом.

Расход топлива на ТЭС-3 незначителен - до 14 г урана-235 за сутки. Атомный реактор заряжается ядерным топливом только раз в год. При этом ТЭС-3 обладает мощностью в 1500 квт.

Она проходила многомесячную проверку и за июль 1964 г., например, выработала больше 1 млн.квт-ч .

Первые два вездехода, где смонтированы атомный реактор, циркуляционные насосы, парогенераторы, теплообменник, должны быть хорошо изолированы. Их держат или в естественных укрытиях, или же в вырытой траншее с железобетонными щитами, закопанными в землю. Третий и четвертый вездеходы не опасны. На них смонтированы турбина, генератор и пульт управления. Они стоят открыто.

Почти все процессы на ТЭС-3 автоматизированы. Автоматы следят за нагрузкой, если нужно, снижают или повышают мощность. В случае

необходимости они могут остановить реактор или выключить вовсе всю станцию. Но людям остается, как всегда, самое главное - наблюдать за работой приборов и решать - подчас очень-очень быстро - важные и сложные задачи. С этой задачей справляются всего 3-4 человека - высококвалифицированные инженеры-физики.

Из топки, где рождаются горячие газы, их отводят в патрубок, куда непрерывно подается тоненькой струйкой поташ - углекислый калий. Происходит слабая, но все же достаточная ионизация. Патрубок затем плавно расширяется, образуя сопло.

Свойства расширяющегося сопла таковы, что при движении по нему газ набирает высокую скорость, теряя давление. Скорость газов, вырывающихся из сопла, может соперничать со скоростями современных самолетов - она достигает 3200 км/час.

Раскаленный поток плазмы врывается в главный канал генератора. Его стенки не из металла, а из кварца или огнеупорной керамики. Снаружи к стенкам подведены полюсы сильнейшего магнита. Под действием магнитного поля в плазме, как во всяком проводнике, наводится электродвижущая сила.

Теперь надо, как говорят электрики, «снять» ток, отвести его к потребителю. Для этого в канал вводят два электрода - тоже, конечно, неметаллических, чаще всего графитовых. Если их замкнуть внешней цепью, то в цепи появится постоянный ток (см. рис. на стр. 115).

У небольших плазменных генераторов, уже построенных в разных странах, к. п. д. достиг 50% (к. п. д. тепловой электростанции не больше 35-37%). Есть надежда получить в ближайшие годы и 65%, а потом еще больше. Перед учеными, работающими над плазменным генератором, стоит много проблем, связанных с выбором материалов, с увеличением срока работы генератора (нынешние образцы работают пока лишь минуты).

Без движения

В плазменном генераторе нет подвижных частей, обычных для машины,- валов, колес, поршней и т. д. Но одна «подвижная часть» все-таки есть - это поток плазмы, мчащийся с громадной скоростью. В термоэлектрическом генераторе, о котором пойдет сейчас речь, нет вообще никакого видимого движения. Интересно, что эти генераторы, пока маломощные, уже работают во многих местах, особенно в отдаленных районах, где пока нет электрической сети.

На стекло обычной керосиновой лампы надевают «воротник» - кольцо с ребрами, торчащими во все стороны. От него тянутся провода к радиоприемнику, и этот радиоприемник отлично работает! «Воротник» превращает слабое тепло керосиновой лампочки в электроэнергию, достаточную для питания приемника.

Термоэлектрический генератор, надетый на стекло керосиновой лампы, бесперебойно питает током радиоприемник.

В начале XIX в. немецкий ученый Томас Зеебек открыл интересное явление. Он спаял концами два провода из различных металлов так, что получилось замкнутое кольцо, а потом один спай нагрел, и в цепи появился ток. Правда, ток был ничтожно мал, поэтому открытие Зеебека целое столетие использовали только для измерения температур - на этом принципе работают термопары.

А в начале 30-х годов нашего века известный советский физик А. Ф. Иоффе доказал: ток в цепи увеличивается в тысячи раз, если спаять полупроводники (см. ст. «Полупроводники в технике»). В «воротнике», надетом на лампу, множество таких полупроводниковых пар. Их внутренние концы прикасаются к ламповому стеклу, наружные охлаждаются благодаря тому, что ребра имеют большую поверхность. И так как температура спаев каждой пары разная, прибор дает устойчивый постоянный ток. И хотя мощность его и небольшая, да и к. п. д. всего-навсего 10%, термоэлектрические генераторы с полным правом относятся к энергетике будущего. Они на редкость просты, очень надежны и долговечны, в них нечему лопаться и портиться.

Вполне возможно, после усовершенствований из них создадут бесшумные и мощные электростанции.

«Прыгающие» электроны

Радиолампы видел каждый. Многие знают, как они устроены. Но мало кому известно, что простейшая радиолампа с двумя электродами внутри - она в радиотехнике зовется диодом-может стать генератором электрической

энергии. Для этого нужно только нагревать один из электродов - катод. Разогревшись, он начинает выбрасывать электроны, они словно испаряются с его поверхности и попадают на холодный электрод - анод. Соединим наружные штыри лампы проводом - и по этому проводу потечет ток. Электроны как бы возвращаются по внешней цепи «домой», обратно на катод.

«Испарение» электронов с нагретой металлической пластинки в безвоздушное пространство (а из лампы воздух, конечно, выкачан) называется термоэлектронной эмиссией. И генератор-лампа назван поэтому термоэлектронным. Он в действительности не так прост, как здесь рассказано: для успешной работы генератора пришлось сделать некоторые усовершенствования и усложнения. Электроды делают из различных металлов, например: катод - из молибдена, анод - из меди. Внутри колбы не пустота, а пары элемента цезия; они захватывают электроны, которые вылетели с катода и почему-либо не попали на анод. Да и лампы, как таковой, т. е. стеклянного баллона, в термоэлектронном генераторе нынче нет: он теперь напоминает трубку размером с детский калейдоскоп. Трубка открыта с обоих концов, но стенки ее двойные, и между ними, в замкнутом пространстве, находятся пары цезия. Внутренняя поверхность трубки - катод, наружная - анод. Если сквозь трубку пропускать поток горячих газов, например выходящих из плазменного генератора, то катод разогревается и прибор начинает давать ток.

Существующие термоэлектронные генераторы пока несовершенны, их к. п. д. не достигает и 10%. Но подсчеты показывают, что его можно довести до 65%, а ради этого стоит поработать!

Если нагревать один из электродов этой лампы, то во внешней цепи появляется ток. Все термоэлектронные генераторы работают по такому принципу.

В дело вступает химия

И плазменный, и термоэлектрический, и термоэлектронный генераторы, как мы теперь знаем, превращают тепло в электрическую энергию. Ну, а откуда берется тепло? От сжигания топлива. Значит, с помощью наших трех необычных генераторов мы все-таки не сразу получаем электричество из топлива. Химическую энергию горючего нам приходится сперва превращать в тепло, а уж потом - в электричество. Нельзя ли превращать химическую энергию непосредственно в электрическую?

Вам всем, наверное, хорошо знакома батарейка карманного фонарика. Это гальванический элемент. Главный принцип работы такого элемента - превращение химической энергии в электрическую. Высокий к. п. д., бесшумность, надежность, отсутствие подвижных частей - все это замечательные качества элемента. Но, подобно вашей батарейке, любой гальванический элемент, даже очень мощный, недолговечен. Отдавая химическую энергию, растворяется его катод, напряжение элемента падает, а затем исчезает совсем. Желая продлить жизнь элемента, мы должны делать его катодную пластину очень большой и тяжелой: ведь именно в ней заключен запас топлива. Но тогда получается громоздкая, дорогая установка, возвращающая нас в прошлое техники.

А если не погружать в банку элемента сразу весь запас топлива, а подавать его туда постепенно и там превращать его энергию в электричество? Впервые мысль эта пришла русскому ученому П. Н. Яблочкову. Он поставил много опытов, но результата не добился. Топливные элементы были созданы лишь 70 лет спустя.

Ученые вспомнили о том, что электрический ток, проходя через воду, легко разлагает ее на водород и кислород. Такие опыты делают в каждой школе. Так нельзя ли сделать наоборот - заставить кислород и водород соединяться в молекулы воды? При этом, оказывается, возвращается то, что мы затрачиваем на разложение воды,- электрическая энергия!

Первые топливные элементы работали на водороде и кислороде. Оба эти газа подавались по трубкам в ванну с едкой щелочью. Там после нескольких химических реакций получалась вода и на опущенных в ванну электродах появлялась разность потенциалов - электрическое напряжение. В таком элементе топливом служит водород, который окисляется кислородом. В результате получаются вода и электрическая

энергия. Образно говоря, водород сжигается без огня; в самом деле, ведь любое горение - это окисление топлива кислородом.

Один такой элемент действовал в лаборатории несколько лет и ни на минуту не снизил мощности, правда, пока довольно маленькой. А его к. п. д. оказался равным 76%.

Именно такой высокий к. п. д. привлекает сейчас к топливным элементам всеобщее внимание.

В раствор едкой щелочи через пористые электроды подаются водород и кислород. В результате электрохимических реакций на электродах возникает разность потенциалов - ток в цепи.

Дело в том, что его можно повышать и дальше, до 90%! Такой экономичности не дает никакое другое энергетическое превращение.

Плохо, конечно, что топливом служит водород: он довольно дорог, требует осторожного обращения, тяжелых баллонов для перевозки. Но уже построены первые образцы топливных элементов, где сжигается без огня более удобное топливо, например нефтяной газ пропан.

Ученые считают, что со временем в топливных элементах можно будет расходовать разные виды топлива - не только газы, но и жидкости, а может быть,- кто знает! - и твердые «поленья». Это будет великим достижением электроэнергетики.

Топливо будущего - вода

В разных странах идет сейчас напряженная работа. Ученые пытаются подобрать

ключ к еще одной, самой грандиозной энергетической кладовой. Они хотят добывать энергию из... воды.

Чем выше температура вещества, тем быстрее движутся его частицы. Но даже в плазме два свободных атомных ядра сталкиваются между собой без всяких последствий. Слишком велики у атомных ядер силы взаимного отталкивания. «Сшибаются» они - и в разные стороны!

Но если поднять температуру плазмы до сотен миллионов градусов, энергия быстрых частиц может сделаться выше «барьера отталкивания». Тогда из двух легких атомных ядер при столкновении получится одно, более тяжелое ядро.

И рождение нового вещества произойдет с мощным выбросом энергии.

Водород, как самый легкий элемент на Земле, особенно пригоден для участия в термоядерных реакциях. Точнее, не тот водород, который вместе с кислородом составляет обычную воду, а его тяжелый собрат дейтерий, атомный вес которого вдвое больше. Добывать его можно из тяжелой воды, которую он образует, соединяясь с кислородом. На шесть тысяч капель обыкновенной воды приходится в природе одна капля тяжелой. Сперва кажется, что это очень мало, но подсчеты показывают: только океаны нашей планеты содержат около 38 000 млрд. т тяжелой воды.

Если мы научимся добывать скрытую в ней энергию, то человечество обеспечено таким запасом на миллиарды лет.

Термоядерные реакции (так называют соединения легких атомных ядер с образованием более тяжелых ядер и с выделением энергии) уже проведены искусственно на Земле. Но пока что это были мгновенные, неуправляемые, разрушительные реакции - взрывы водородных (а точнее, дейтериевых) бомб. Советские физики и их зарубежные коллеги стремятся к тому, чтобы взять управление термоядерной реакцией в свои руки. Тогда человечество сможет овладеть неисчерпаемыми запасами энергии.

АВТОМАТИКА

НАС ОКРУЖАЮТ АВТОМАТЫ

Проснувшись рано утром, вы делаете зарядку и идете умываться. Кто помог вам встать вовремя? Часы-будильник - автоматическое устройство, имеющееся в каждой семье.

Умываясь, вы, возможно, не подозреваете, что воду в квартиру помогли доставить тоже автоматы. Они, когда нужно, включали и выключали насосы. Если в вашу квартиру подается горячая вода, то и за ее температурой следят автоматические устройства.

Во многих квартирах можно увидеть холодильники, стиральные машины, электроутюги с мигающей лампочкой, приемники, телевизоры. А ведь в каждом из этих устройств есть

автоматы, порой довольно сложные. Они не дадут повыситься температуре внутри холодильника, перегреться утюгу или изменить громкость звука, льющегося из динамика приемника или телевизора.

Во время завтрака на столе вы видите хлеб, молоко, сыр, масло. Хлеб в булочную привезли с хлебозавода-автомата, молоко разлили в бутылки, а сыр и масло приготовили, расфасовали в брикеты автоматические машины.

Но вот вы на улице. На перекрестке - пустая будка регулировщика. Однако сигналы светофора сменяют друг друга - регулировщика заменил автомат. Это он включает зеленую

надпись «идите» и красную «стоите», это он переключает огни светофоров.

Жители городов привыкли к автоматическим продавцам. Стоит в щель автомата опустить нужную монету, и вы получите газету, тетрадь, карандаш, стакан воды. Десятки таких автоматов обслуживает один человек, который лишь следит за их работой.

Появились автоматы и в метро. Здесь автомат разменяет вам гривенник; опустив одну из полученных пятикопеечных монет в щель другого автомата, вы увидите, как загорится окошечко с надписью «идите». Это вас приглашает автомат. Под землей перед поездом метро, в котором вы едете, автоматические приборы зажигают зеленые огни светофоров; успешное испытание прошел «автомашинист».

И все же важнейшее поле деятельности автоматов - это цехи фабрик и заводов. Здесь можно встретить и автоматические станки-одиночки, и длинные линии, работающие сообща. С одной стороны такой линии поступает материал, с другой выходит готовая продукция.

Автоматы работают прежде всего там, где налажено массовое производство изделий, где осуществляются «тонкие» технологические операции, где условия производства опасны для жизни и здоровья людей, и т. д. Они помогают человеку в промышленности и сельском хозяйстве, на транспорте и в связи, в научных институтах и лабораториях.

Огромный вклад в развитие автоматики внесли советские ученые. В нашей стране создано много крупных институтов и лабораторий, занимающихся различными проблемами автоматики, такие, как Центральный научно-исследовательский институт комплексной автоматизации, Институт автоматики и телемеханики Академии наук СССР. Вопросы автоматики производства разрабатываются сотрудниками исследовательских институтов Ленинграда, Киева, Харькова, Новосибирска, Тбилиси и многих других городов СССР.

Однако если проследить истоки автоматики, они уведут нас в глубокую древность.

ИСТОКИ АВТОМАТИКИ

Во II в. до н. э. механик Ктезибий, живший в Александрии, изготовил первые водяные часы. Они были просты: из сосуда, наполненного водой, вытекала вода и через систему зубчатых колес приводила в движение стрелки.

Шли столетия, часы совершенствовались и в дальнейшем сыграли немалую роль в развитии автоматики. Недаром Карл Маркс писал

по этому поводу, что «часы являются первым автоматом, созданным для практических целей». Мастерами далеких времен были созданы, кроме часов, и другие механические устройства, выполняющие последовательные движения без вмешательства человека. В древней Греции каждое такое устройство называлось «автоматос», т. е. «самодвижущийся». В книге, напи-

Так работал один из первых автоматов - насос, построенный ученым Ктезибием две тысячи лет назад.

санной в I в. знаменитым ученым Героном Старшим из Александрии, рассказывается, например, об автомате для продажи «святой воды», о дверях храма, открывавшихся, как только в жертвеннике загорался огонь, и т. д.

В 1767-1769 гг. русский механик И. П. Кулибин создал часы размером с гусиное яйцо. В этих часах было несколько сот связанных между собой различных деталей. Часы заводились раз в сутки. Они показывали время и отбивали каждый час, его половину и четверть. В верхней части корпуса часов через каждый час открывались дверцы и человеческие фигурки разыгрывали сценки; «представление» шло в музыкальном сопровождении.

Во второй половине XVIII в. в швейцарской деревне Шо-де-Фон жили два искусных часовых мастера - Пьер Жаке Дро и его сын Анри. В 1774 г. Пьер Дро на выставке в Париже демонстрировал механических «людей» - «писца», «рисовальщика» и «музыкантшу».

Но наряду с подобными забавными автоматами начали появляться устройства, облегчающие труд человека. Первые такие попытки относятся ко второй половине XVIII в., к периоду промышленной революции. Особенно большое значение для технического прогресса имело изобретение автоматического суппорта токарного станка и автоматического регулятора.

Автоматический суппорт, перемещающий резец вдоль детали, обрабатываемой на токарном станке, был изобретен еще в 20-х годах XVIII в. русским механиком Андреем Нартовым. Англичанин Модели сделал подобное устройство лишь спустя 70 лет.

Автоматическое регулирование впервые было применено русским изобретателем Иваном Ползуновым. В созданной им в 1765 г. паровой машине поплавковый регулятор следил за уровнем воды в котле. Джемс Уатт в своей знаменитой паровой машине применил два важных автоматических устройства: центробежный регулятор, который изменял подачу пара в цилиндр, и парораспределительную коробку с золотником для переключения клапанов машины.

Расширение промышленного производства, открытия в области механики и электротехники вызывали появление новых автоматических устройств. В XIX и начале XX в. они появляются в текстильных и ткацких машинах, в прессах для штамповки мелких деталей, в машинах, вырабатывающих массовую продукцию: конфеты, папиросы, пуговицы и т. д. А сейчас нет такой отрасли народного хозяйства, в которой не применялись бы автоматы.

ГДЕ НУЖНЫ АВТОМАТЫ

Многим, вероятно, приходилось видеть, как токарь работает за токарным станком. Точными движениями он нажимает рукоятки, подводит к детали резец. Если рабочий делает много одинаковых деталей, его движения становятся привычными, заученными, он их производит почти не задумываясь. Такую работу лучше поручить станку-автомату, который без вмешательства человека будет делать то же самое, но, что очень важно, значительно точнее и быстрее. Правда, такие станки могут, как правило, обрабатывать одно, вполне определенное изделие, но если «тираж» продукции составляет многие

тысячи штук, затраты на создание станка-автомата окупятся быстро.

Итак, автоматы прежде всего нужны там, где налажено массовое производство изделий: на автомобильных, тракторных, часовых заводах, на предприятиях текстильной, пищевой промышленности. Они позволяют резко увеличить производительность труда.

Техника наших дней - это техника огромных скоростей. Современный реактивный самолет пролетает за секунду сотни метров. Роторы паровых и газовых турбин делают тысячи оборотов в минуту. Ракета, выводящая космический

Каждый второй носит часы, почти в каждом доме - настенные часы, будильники. Попробуй, изготовь их вручную, когда на Земле больше двух миллиардов людей.

Современный реактивный самолет за секунду пролетает сотни метров. Только автомат способен управлять таким стремительным полетом.

Трудно уследить человеку за малейшими изменениями температуры, давления, силы тока. Автомат справляется с этим легко и притом безошибочно.

корабль на орбиту, движется со скоростью несколько километров в секунду. Попробуйте уследить без автоматических помощников за такими стремительными процессами! Лишь автоматы обладают необходимой быстротой реакции. Они не дадут ротору турбины превысить обороты, не позволят самолету или ракете отклониться от заданного курса.

Не обойтись без автоматики и при осуществлении многих «тонких» технологических процессов. Вот, например, химическое производство. Иногда малейшее отклонение температуры, давления, концентрации веществ от заданной величины приводит к браку или делает химическую реакцию невозможной. На ход реакции в ряде случаев влияет напряжение или сила

тока, интенсивность электрического или магнитного поля и многое другое. Наши органы чувств не могут реагировать и тем более отмечать малейшие изменения этих физических величин. Такой способностью человек наделяет автоматические устройства.

Нужна автоматика и в производствах, которые опасны для жизни и здоровья людей. Таких производств немало: получение радиоактивных веществ и работа на атомных электростанциях, изготовление красителей для текстильной промышленности и сильных ядов для борьбы с сельскохозяйственными вредителями, многие взрывоопасные производства. Человеку вредно здесь находиться, а в целом ряде случаев - просто невозможно. И человеку помогают автоматы.

Автоматы очень нужны там, где опасно и вредно трудиться человеку.

Без автоматов невозможно было бы запустить космическую ракету.

Автоматы помогают ученым конструировать и испытывать новые станки.

Они работают надежнее, а если и ошибаются, то это не сопровождается жертвами.

Или возьмем изучение космоса. Советские люди первые побывали в космическом пространстве. Удалось это сделать с помощью самых совершенных средств автоматики. Человек еще не приближался к другим планетам солнечной системы, однако Марс и спутника Земли - Луну уже «увидели» автоматические межпланетные станции. Без средств автоматики сфотографировать, например обратную сторону Луны было бы невозможно.

Автоматы стали верными помощниками в лабораториях ученых, при конструировании и испытании новых машин. Они регистрируют и подсчитывают метеоры, влетающие в земную атмосферу, производят измерения различных физических величин и записывают их на ленту, делают снимки искровых разрядов и т. д.

Нужно отметить еще одну важную область применения автоматики - сельское хозяйство. Наш народ взял курс на крутой подъем сельскохозяйственного производства. В решении этой задачи автоматика сыграет большую роль.

На Украине прошел испытания автоматический свеклоуборочный комбайн. Машина уверенно двигалась вдоль рядков свеклы и производила уборку. Ее вел не человек, а специальная следящая система. Для уборки хлопка тоже создана автоматическая машина. Уже работают системы орошения, которые автоматически подают воду на поля в зависимости от влажности почвы. При этом учитывается даже прогноз

погоды: автоматы не пустят воду, если вскоре ожидается дождь. Действуют и полностью автоматизированные теплицы. В них без вмешательства человека включается и выключается освещение, вентилируется воздух, производится подкормка растений удобрениями. В инкубаторах автоматы следят за температурой воздуха и сигнализируют о появлении цыплят.

А вот автоматическая линия обработки яиц. В птичнике длиной около 100 м вдоль гнезд тянется конвейер. На него скатываются из гнезд яйца и доставляются на яйцесборочный стол. Здесь яйца сортируются, подвергаются клеймению и отбраковке, а затем специальный автомат осторожно укладывает их в тару.

С детства нас учат беречь время, не тратить его попусту. Сейчас экономия времени стала такой же важной задачей, как экономия сырья, электроэнергии. На предприятиях, в конструкторских бюро, в научно-исследовательских институтах сохранять время помогают математические машины-автоматы. Они решают сложнейшие математические задачи, причем делают это в тысячи раз быстрее, чем человек.

Итак, мы назвали основные области применения автоматических устройств. Легко увидеть, что люди строят автоматы не наобум, используют их не где вздумается. Создание и применение автоматов вызваны потребностями производства, нуждами общества.

Теперь поближе познакомимся с принципами, которые легли в основу создания автоматических устройств.

СТАНКИ-ПОЛУАВТОМАТЫ И СТАНКИ-АВТОМАТЫ

Полностью автоматизированные станки появились не сразу. Вначале автоматизировались операции, связанные непосредственно с обработкой детали.

В цехе стоит станок. Рабочий закрепляет в нем заготовку и нажимает кнопку пуска. Станок без постороннего вмешательства, сам обрабатывает деталь. Рабочий снимает готовое изделие, закрепляет новую заготовку и опять пускает машину. Перед нами станок-полуавтомат. Для изготовления каждой новой детали на нем, т. е. для повторения автоматического цикла, требуется вмешательство рабочего.

Освоив полуавтоматы, люди затем научились делать станки, в которых подача заготов-

Станок-полуавтомат. Человек должен поставить в него заготовку и снять готовую деталь. Остальное сделает сам станок.

ки, закрепление ее в станке, обработка, снятие готовой детали и очередной пуск станка производятся самой машиной, без участия рабочего. Это станки-автоматы, новый этап автоматизации производства.

Специальные станки-автоматы, как правило, устроены более просто, чем универсальные станки, на которых можно изготовлять самые разнообразные детали.

У станка-автомата имеется распределительный вал, снабженный выступами-кулачками. Эти кулачки при повороте вала передвигают толкатели и заставляют сверла и резцы воздействовать на деталь. Совершит распределительный вал один полный оборот - изделие полностью обработано.

Если наладка такого станка-автомата в процессе его работы будет расстроена, то он начнет

Автомат все операции делает сам, без вмешательства человека.

Схема работы автоматического фрезерного станка.

выдавать брак. Подобные автоматические устройства, лишенные самоконтроля, называются циклическими или нерефлекторными. Это первая ступень автоматизации.

Более сложные станки-автоматы удалось наделить «органами чувств». Эти станки сами контролируют свою работу, сами настраиваются на более выгодный режим, сами предотвращают брак. Станки, способные следить за своими действиями во время работы, относятся к рефлекторным автоматическим устройствам. Конструкция их может быть самой разнообразной. Чтобы разобраться в ней, познакомимся с важным понятием автоматики - обратной связью.

ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ И ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ

Мальчика звали Гемпфри Поттер. Жил он в Англии два с половиной века назад, был беден, поэтому с детства должен был зарабатывать себе на хлеб. Трудился он на шахте. Там откачивали воду при помощи паровой машины.

Действовала она так: в цилиндр под поршень из парового котла впускался пар. Он поднимал поршень до самого верха. Потом паровой кран закрывали, открывали другой, и в цилиндр поступала холодная вода. Пар конденсировался, в цилиндре образовывалась пустота, и поршень под действием атмосферного давления опускался вниз. Движение поршня передавалось насосу.

Обязанности Гемпфри Поттера были просты: поочередно открывать и закрывать краны. Когда ему надоела такая однообразная работа, он решил поручить ее... самой машине.

Гемпфри связал шток поршня и краны веревочками. Как только поршень оказывался вверху, веревочки натягивались, закрывали паровой и открывали водяной кран. В нижнем положении открытым оказывался паровой кран, а водяной - закрытым,

Автомобильный завод им. Лихачева. Автоматическая линия для обработки блоков цилиндров V -образного двигателя

Этот принцип сейчас используется во многих устройствах. Возьмем, например, автомобильный двигатель. В нем в строгой последовательности открываются то одни, то другие клапаны, благодаря чему чередуются такты: всасывание рабочей смеси, сжатие ее, рабочий ход и выпуск газов.

В технике существуют условные понятия: «вход» и «выход» машины. В паровой установке «вход» - это подача пара, «выход» - движение поршня. Если они между собой связаны, то говорят, что осуществлена обратная связь, т. е. связь выхода с входом.

В паровой машине или в автомобильном двигателе эта связь является положительной, так как движение поршня (выход машины) воздействует на клапаны (вход машины) так, что поршень снова начинает двигаться.

Положительная обратная связь широко применяется не только в механических устройствах, но и в электрических схемах, например в радиоприемниках. Связав при помощи специальной катушки выход - цепь анода с входом - цепью управляющей сетки, увеличивают напряжение принятого сигнала в 10- 20 раз. Это позволяет сократить число усилительных ламп.

Иную задачу решает обратная связь в автоматических регуляторах. Каждый такой прибор имеет чувствительный элемент, или датчик,- устройство, которое чутко реагирует на изменение оборотов двигателя, уровня жидкости в баке, температуры в печи и т. д.

В автоматическом регуляторе, созданном двести лет назад И. И. Ползуновым, чувствительным элементом служил поплавок. Когда вода поднималась выше нужного уровня, поплавок поднимался вместе с ней и через несложное устройство прекращал подачу воды с котел.

Многим известен центробежный регулятор оборотов. Если вал той или иной машины разовьет недопустимо большую скорость вращения, шары регулятора разойдутся, поднимутся выше. Это изменение положения шаров тотчас передаст через систему рычагов «команду» заслонке, и в машину будет поступать меньшее количество пара, топлива или воды. Двигатель сразу сбросит обороты. При замедлении скорости вращения двигателя регулятор увеличит поступление пара или топлива и обороты выравняются.

Во всех подобных регуляторах тоже осуществлена связь выхода с входом. Но связь эта иного характера, ее называют отрицательной обратной связью, так как на увеличение уровня воды или оборотов регулятор отвечает уменьшением подачи воды, топлива.

Цепи обратных связей - необходимый элемент современных автоматических машин и механизмов. Создавая их, человек, порой бессознательно, копировал... собственный организм. Чувствительные клетки любого живого организма постоянно получают сигналы от внутренних органов и из внешнего мира. По нервным волокнам эти сигналы поступают в мозг, который их анализирует и отдает команды различным органам.

Вы вошли с мороза в теплую комнату. Теплочувствительные клетки кожи тотчас сообщили об этом в мозг. И тот подает команду сердцу, которое сбавляет ритм работы, начинает менее энергично накачивать кровь.

Поплавковый регулятор, в котором использована отрицательная обратная связь, сам «заботится» об уровне жидкости в баке.

значительно сложнее, чем в любой автоматической машине (см. статьи «Высшая нервная деятельность» и «Нервная система» в т. 7 ДЭ). Прежде чем организм ответит реакцией на полученное раздражение, мозг сравнит поступившие сигналы между собой, произведет их анализ, после чего отдаст соответствующую команду. Создавая автоматы, инженеры и изобретатели старались снабдить их устройствами, которые выполняли бы те же задачи, что и нервные клетки организма. Роль этих «клеток» в современной автоматике играют всевозможные датчики, усилители и реле.

"ОРГАНЫ ЧУВСТВ" АВТОМАТОВ

Датчики

Часто можно слышать о «глазах», «ушах», «чутких пальцах» машины. Разумеется, это только образные сравнения, они позволяют лучше понять принцип действия того или иного автомата. Когда говорят об «органах чувств» автоматических устройств, то имеют в виду «чувствительные элементы», или датчики, реагирующие на изменения каких-либо физических параметров.

...В цехе работает обыкновенный полуавтомат. Станок заканчивает обработку детали, и резец оказывается в крайнем положении. Вместе

с резцом передвинулся и специальный упор, который нажимает на рукоятку станка, и станок останавливается. Конечный выключатель - так называется это устройство,- работая как бы «на ощупь», выполнил операцию выключения не хуже человека.

По глади водохранилища мчится теплоход на подводных крыльях. Наступили сумерки, но рулевой уверенно ведет корабль: впереди зажглись красные и белые огни бакенов. Кто их включил? Автомат, питаемый аккумуляторами. А «глазом» этого автомата служит фотоэлемент.

Круглые сутки смотрит он в небо. Днем, когда светло, в фотоэлемент попадает много

света и он хорошо пропускает ток. Электромагнит под действием этого тока размыкает цепь питания фонаря. С наступлением вечера свет, воздействующий на фотоэлемент, ослабевает и ток в его цепи прерывается. Одновременно пружина, которая днем удерживалась электромагнитом, замыкает цепь питания фонаря бакена, и он загорается. А утром этот же элемент погасит фонарь.

Есть у некоторых автоматов и электрические «уши». Это знакомый каждому микрофон. Предположим, его установили перед входом в гараж. Стоит подъехавшей автомашине дать сигнал, как под действием звуковых волн угольный порошок микрофона изменит свое сопротивление и соединенный с микрофоном автомат включит электромотор. Створки ворот раздвинутся - машина может въезжать в гараж. Чтобы автомат узнавал «свою» машину, его немного усложняют, заставляют срабатывать, например, только на четыре коротких сигнала.

Обоняние позволяет нам различать самые разнообразные запахи. Наделены «обонянием» и автоматы, установленные, например, в шахте. Известно, какую опасность под землей представляют горючие газы. Если их концентрация велика, то от случайной искры может произойти взрыв. Чтобы этого не случилось, в разных местах шахты устанавливают небольшие коробки с мембранами. Внутри каждой коробки - раскаленная током спираль.

Горючие газы, попав в коробку через ее пористые стенки, сгорают, и от этого внутри создается пониженное давление. Мембрана втягивается в коробку и замыкает при этом контакт сирены или другого сигнала, предупреждающего об опасности.

В текстильном, химическом и ряде других производств очень важно иметь растворы кислот строго определенной концентрации. Есть датчики, которые чутко отзываются на «вкус» раствора.

В бак, где смешивается, например, серная кислота с водой, опущены два электрода. Если концентрация раствора нормальна, в бак не-

обратная связь - основа действия автоматической системы. В середине - обобщенная схема устройства с обратной связью. Вверху и слева - положительная обратная связь. Художник образно сравнил ее с поведением игроков в настольный теннис, каждый из которых отвечает ударом на удар противника. Внизу и справа - отрицательная обратная связь. Ее художник сравнил - тоже, конечно, очень условно - с поведением двух боксеров, из которых один все время поддразнивает другого, затем, после удара, некоторое время ведет себя хорошо, а потом снова принимается за старое.

Автоматическая линия для производства подшипников здесь показана упрощенно: 1 и 2- механическая обработка труб и получение заготовок внутренних и наружных колец; 3 - клеймение колец; 4 - магазин для хранения запаса колец; 5 - термообработка; 6 - очистка водой от окалины; 7 - обработка холодом и снова закалка; 8 - плоское шлифование; 9 - шлифование внешнего обода кольца; 10 - шлифование канавок под шарики; 11 - обработка внутренней поверхности внутреннего кольца; 12 - автоматический контроль; 13 - сборка подшипников; 14 - смазка и упаковка готовых подшипников.

прерывной струей вливается кислота. Но вот концентрация превысила допустимую. Электропроводность раствора возросла. Ток между электродами, а значит, и во всей цепи, куда они включены, увеличивается. А этого достаточно, чтобы сработал электромагнит и прекратил поступление кислоты.

Кроме пяти органов чувств - осязания, зрения, слуха, обоняния и вкуса, человек имеет еще так называемый вестибулярный аппарат, расположенный во внутреннем ухе (см. ст. «Органы чувств» в т. 7 ДЭ). Стоит человеку наклонить голову или изменить положение тела, вестибулярный аппарат подает в головной мозг соответствующий сигнал. Вестибулярный аппарат реагирует также на вращение тела и на поступательное движение. Он играет огромную роль в обеспечении равновесия.

В автоматике создано немало устройств, обязанности которых подобны обязанностям вестибулярного аппарата человека. Например, автопилот в самолете. Этот прибор не только не дает самолету сбиться с курса. Не позволит он гигантской машине даже немного накрениться.

Главная его деталь - гироскоп. Это вращающийся волчок, который всегда стремится сохранить положение оси вращения. И если самолет накренится, волчок останется на месте, а ползунок, укрепленный на нем, начнет перемещаться по контактам. Это тотчас приведет в движение соответствующие сервомоторы, и самолет выровняется.

Итак, датчики современных автоматических устройств вполне справляются с обязанностями всех органов чувств, которыми наделен человек. Причем подчас они «видят» и «слышат» то, что нам недоступно. Люди не слышат ультразвук, их зрение не реагирует на инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи. А датчики, если нужно, чутко отзываются и на эти «раздражения». А можем ли мы замечать ничтожные колебания атмосферного давления или реагировать на электрические или магнитные поля? Нет. Специальные же датчики

Автоматы умеют определять и «вкус» растворов их концентрацию.

У автоматов есть и «вестибулярный» аппарат.

Эти датчики реагируют на изменение температуры и давления.

автоматов наделены такой способностью. Они безошибочно отмечают малейшие изменения силы тока, величины напряжения, магнитных и других свойств вещества. Родившиеся в датчиках сигналы - это ценная и точная информация о том, как работает та или иная машина, как протекает технологический процесс.

Усилители

И не беда, если сигналы датчика слабы, незначительны по величине. Их силу можно многократно умножить. Эти обязанности выполняют усилители. В схемах автоматики нашли распространение усилители разных типов.

Наиболее чувствительны электронные усилители; их главные элементы- радиолампы или полупроводниковые триоды.

Широкое распространение получили и так называемые магнитные усилители. Постоянный ток, возникающий в цепи датчика, протекает по одной обмотке магнитного усилителя. Вторая обмотка его включена в сеть переменного тока. Небольшие изменения тока в первой обмотке вызывают значительные его изменения во второй. А это и нужно для усилителя сигналов. Магнитные усилители могут иметь мощность от долей ватта до сотен киловатт. Они исключительно надежны, так как не имеют хрупких или движущихся деталей.

Распространены в схемах автоматических устройств электромашинные усилители.

Главный элемент электронного усилителя - радиолампа. (U_BX - напряжение входного сигнала, U_B_ЫХ - выходное напряжение, R_H - сопротивление нагрузки.)

Схема магнитного усилителя. Сигнал усиливается в магнитном поле ( I_у - усиливаемый ток, U_у - усиливаемое напряжение, R_H - сопротивление нагрузки, I~ - переменный ток, U ~ - переменное напряжение).

Как видно уже по названию, это своеобразная электрическая машина. Ее генератор постоянного тока вращается посторонним двигателем. Ток, отдаваемый этим генератором, зависит, как известно, от тока возбуждения, протекающего в обмотках магнитных полюсов.

Если в цепь возбуждения включен датчик, то ток в ней будет изменяться соответственно изменениям контролируемой величины. Значит, и ток, отдаваемый генератором, будет изменяться по тому же закону - сигнал датчика оказывается усиленным.

Применяется немало и других типов усилителей - гидравлических, пневматических, пневмоэлектрических - всех не перечислишь. Причем часто усилители разных типов работают сообща, например ламповый совместно с электромашинным. Первый из этих усилителей производит предварительное усиление сигналов датчика, выход лампового усилителя подключен к входу электромашинного. Сигнал-карлик становится настолько мощным, что может заставить действовать любой исполнительный механизм, например вращать двигатель.

Однако очень часто от датчика или усилителя его сигналов требуется только одно: включить или выключить то или иное реле,

Реле

В середине XIX в. во многих странах стала строить электрические телеграфы, и тут обнаружилось, что ток батареи передающей станции ослабевает с расстоянием из-за сопротивления проводов и утечки на линии.

До конца длинной линии ток доходил настолько ослабевшим, что приемный телеграфный аппарат не работал.

И строители телеграфов нашли выход из положения.

Всю линию они разделили на несколько участков. В конце каждого из них поместили устройство, состоящее из электромагнита с подвижным якорем и контактом. Приходящий издалека слабый ток попадал в обмотку электромагнита. Якорь притягивался к сердечнику и замыкал с помощью контактов цепь тока от местной батареи. И уже этот ток, гораздо более сильный, чем пришедший, направлялся в следующий участок линии.

Новый электротехнический прибор назвали французским словом реле. Чтобы понять, как возникло это название, вернемся мысленно назад, в XIX столетие.

...Покрытые хлопьями пены, изнуренные кони подтащили к почтовой станции дилижанс. Здесь ловкие кучера быстро сменили лошадей, и дилижанс со свежей упряжкой покатил к следующей станции. Так, «на перекладных», еще

не очень давно путешествовали во многих странах Европы.

Во Франции замена уставших лошадей свежими называлась «реле». Это слово и использовали создатели усилительных станций на телеграфных линиях.

Электромагнитное реле - это электромагнит, якорь которого переключает одну или несколько цепей. Реле не только старейший прибор автоматики, но и один из самых распространенных элементов. Многие автоматические системы, например телефонные станции, содержат тысячи электромагнитных реле.

Чувствительные электромагнитные реле требуют для срабатывания, т. е. переключения контактов из одного положения в другое, мощность не более тысячной доли ватта. Самое короткое время срабатывания электромагнитного реле - тысячные доли секунды. При необходимости время срабатывания можно удлинить (например, в электромагнитных реле времени) до нескольких десятых долей секунды.

Электрическая цепь, по которой приходит сигнал от датчика или усилителя, называется управляющей. Она управляет, командует другой цепью - управляемой, в которой появляется сильный ток. С помощью реле можно заставить работать электродвигатели, нагревательные печи и другие исполнительные механизмы, включенные в управляемую цепь.

Электромагнитное реле - один из первых и главных элементов

автоматики. Оно пускает в ход машины, изменяет направление

В автоматике, кроме магнитных, применяется много других типов реле - электронных, фотоэлектрических, электромеханических и т. д.

Таким образом, реле - это такое устройство, которое при плавном изменении входного воздействия переходит скачком из одного положения равновесия в другое: при достижении известного значения входной (управляющей) величины резко, скачком изменяется выходная (управляемая) величина.

Между реле и усилителями есть много общего, поэтому сравнительно нетрудно усилительную схему заставить работать в релейном режиме, т. е. обеспечивать не плавное, а скачкообразное изменение той или иной величины.

ЧЕТЫРЕ «ПРОФЕССИИ» АВТОМАТОВ

Теперь, когда мы познакомились с основными элементами автоматических устройств и их взаимосвязью, рассмотрим области применения, «профессии» автоматов. Несмотря на то что автоматов создано и создается огромное количество, все их можно разделить на четыре группы: на автоматические устройства контроля, защиты, регулирования и управления.

Автоматы контролируют

Автоматический контроль - это первая ступень автоматизации любого процесса. Она сводится к сравнению, например, размеров изготовляемой детали с заданным их значением.

Совершенно ясно, что от точности контроля зависит качество продукции, соответствие ее стандарту, чертежам, а от быстроты - производительность станка, цеха, предприятия. Конечно, можно контролировать без автоматов, вручную.

Предположим, станок-автомат делает крепежные болты. Чтобы изготовить один болт, требуется всего 1-2 секунды, а на контроль болта при помощи резьбовых колец, т. е. вручную, уходит полминуты. Если за станком наблюдает всего один рабочий-наладчик, то для контроля продукции станка потребуется добрый десяток человек. Ясно, что контроль такой массовой продукции нужно автоматизировать.

Автомат-контролер. Шарик большего размера не попадает в тару/ На своем пути он заденет рычаг и окажется в отдельном бункере.

В ряде случаев, когда контролируемая величина изменяется очень быстро или когда нужна особенная точность, контроль вручную вообще неприменим.

Но контроль, даже если его делает автомат, может производиться по-разному. Предположим, деталь полностью готова и контролирующее устройство лишь отделяет годные детали от негодных.

Это пассивный контроль. При нем автомат-контролер не вмешивается в производственный процесс.

Более совершенен контроль активный, когда по результатам измерений автомат-контролер производит подналадку машины, корректирует ход технологического процесса и может даже остановить станок в случае, например, поломки инструмента. Иногда контролирующие автоматы при нарушении технологического процесса подают звуковой или световой сигнал.

Активный контроль позволяет до минимума уменьшить возможность брака. Это подтверждается, например, опытом первого ГПЗ в Москве, где работает около 800 систем активного контроля.

Устройство и назначение автоматов контроля весьма разнообразны. В них используются законы механики, оптики, электротехники. Наибольшее распространение получили электрические контролеры, которые отличаются быстротой действия, малыми размерами и весом, позволяют передавать результаты контроля на большие расстояния.

Рассмотрим, например, как контролируется скорость движения газа по трубам химического

завода. В трубе закреплен датчик - тонкая платиновая проволочка длиной в несколько сантиметров. Она нагревается током до 100- 400°. Сопротивление же металлического проводника, как известно, при понижении температуры падает.

Чем быстрее мимо проволочки движется газовый поток, тем сильнее она охлаждается, тем, следовательно, меньше ее сопротивление и больше ток в цепи. Изменения этого тока заставляют срабатывать реле и приводить в действие механизм, уменьшающий или увеличивающий поступление газа. Таким образом автомат-контролер активно воздействует на количество подаваемого по трубам газа.

Следует отметить, что и наиболее простые, механические контролеры не собираются уходить со сцены. Наоборот, их становится все больше и больше. Вот один из них.

В цехе, изготовляющем шарики для подшипников, стоит простой автомат, контролирующий их размеры. Из бункера шарики один за другим катятся по желобу без дна, причем борта желоба не параллельны друг другу, а представляют собой две постепенно расходящиеся полоски. В том месте, где ширина шарика точно равна ширине желоба, шарики проваливаются вниз и падают в отсеки приемника. Самые мелкие шарики падают в начале желоба, наиболее крупные - в конце его. Шарики одинакового размера попадают в один бункер. За час такая простая установка может рассортировать несколько тысяч шариков.

Выбор системы того или иного контрольного автомата, его конструкция определяются многими факторами - скоростью, точностью контроля, простотой схемы, стоимостью автомата.

Меченые атомы в автоматике

Армию автоматических контролеров множат новые открытия в физике, электронике, химии и других науках. Многие из вас знают, что такое меченые атомы (см. ст. «Великий закон» в т. 3 ДЭ). Напомним: это разновидности атомов - изотопы, которые вследствие своей радиоактивности нестабильны. Их называют «мечеными», ведь они, в отличие от своих стабильных собратьев, излучают альфа-, бета- и гамма-лучи Вот на эти-то меченые атомы и возложили функции контролеров, причем справляются они с этой работой очень хорошо.

...Перед нами большая сложная машина. Она прокатывает металл, изготовляет из него полосу толщиной в несколько миллиметров. Лента быстро проносится между валками. Раньше, чтобы измерить ленту, приходилось периодически останавливать прокатный стан и проверять толщину ее. Теперь все измерения производятся автоматически, с помощью радиоактивных изотопов.

С одной стороны ленты прикреплен излучатель, с другой счетчик. Пока толщина проката постоянна, счетчик принимает излучение одной и той же интенсивности. Но вот чуткий счетчик «заметил»: излучение ослабло. Значит, толщина контролируемого проката увеличилась. И механизмами отправляется соответствующий сигнал. Автомат изменяет расстояние между валками, и снова идет прокатываемая лента нормальной толщины. С помощью такой аппаратуры выпуск стальной ленты удалось ускорить почти в три раза!

Автоматы-контролеры с радиоактивными счетчиками работают теперь на многих производствах.

Надежная защита

Вторая «профессия» автоматических устройств - автоматическая защита. Выполняя эту обязанность, автомат не только сигнализирует об опасностях, связанных с отклонением от технологических норм, но и приостанавливает весь процесс.

Простейшим таким автоматом являются обыкновенные электрические «пробки» в вашей квартире. Они охраняют сеть от слишком большого тока - причины пожара или других неприятных последствий. Стоит в квартире случиться короткому замыканию, тоненькие свинцовые или медные проволочки в «пробках» перегорают и ток автоматически выключается. Более удобны «пробки» с биметаллической пластинкой. Если через них протекает ток больше допустимого, пластинка, нагретая током, изгибается и размыкает электрический контакт. Охладившись, пластинка принимает первоначальную форму, замыкает контакт, и в квартиру снова поступает ток.

Чрезмерная скорость вращения вала очень опасна для мощных генераторов, компрессоров и насосов. Это явление обычно возникает при резком уменьшении нагрузки, например в результате аварии. Чтобы не допустить разрушения машины, во вращающийся вал встав-

Если скорость вращения вала машины окажется выше допустимой, автомат прекратит подачу энергии.

лены грузы, удерживаемые в углублениях пружиной. Когда обороты вала превысят нормальные, пружины уже не смогут удерживать грузы, центробежные силы заставят их выйти из углублений и задеть за спусковой крючок. Моментально включится тормозной механизм или реле, которое прекратит подачу энергии к машине, остановит ее.

В нашей стране построены крупнейшие линии высоковольтной электропередачи. Короткое замыкание на такой линии, которое может случиться, например, при обрыве провода,- серьезная авария. Но от нее не пострадают ни генераторы, ни трансформаторы, ни соседние станции, включенные в ту же сеть. Линию зорко охраняют мощные автоматические выключатели. При коротком замыкании они отключают аварийный участок, а потребители продолжают получать электроэнергию от других станций.

Опасны и высокие напряжения, возникающие в линии при ударе в нее молнии. Поэтому все подвешенные над землей провода - это относится и к линиям связи - снабжаются специальными автоматами защиты - разрядниками. В ясную погоду разрядник, включенный между проводом и землей, находится без дела. При ударе в провод молнии возникающее в нем высокое напряжение зажигает в разряднике электрический разряд, подобный жгуту электрической дуги. Сопротивление жгута разряда очень мало - значит, провод на доли секунды оказывается замкнутым на землю. Этого достаточно, чтобы с него «стекли» излишки зарядов. Когда опасность минует и напряжение снизится до нормального, разряд исчезает и линия отключается от земли.

Все больше и больше появляется у нас автоматов, охраняющих жизнь и здоровье людей.

Долго работа на прессах считалась опасной: неосторожное движение рабочего могло привести к травме. Автомат защиты с фотоэлементом исключил опасность.

Каким бы опытным ни был рабочий, обслуживающий пресс, может случиться так, что рука его попадет в опасную зону. Увечье, казалось бы, неизбежно. Но нет, этого не случится. Дело в том, что к прессу приставлен автомат, который предотвращает несчастные случаи. Как же он устроен?

Лучи света от лампочки проходят через опасную зону и попадают на фотоэлемент. Пресс работает. Но стоит рабочему загородить эти лучи, как сработает реле и пресс остановится.

В ряде производств - бумажном, текстильном, мукомольном, химическом - велика опасность возникновения пожаров. Поэтому там приходится принимать дополнительные противопожарные меры. Вот одна из них.

По потолку охраняемого от пожара цеха проходят трубы, в ответвлениях которых установлены форсунки. Если вспыхнет пожар, то температура и помещении сильно повысится, легкоплавкие вставки, закрывающие входные отверстия форсунок, расплавятся. Автоматически включаются насосы, и потоки воды погасят пожар.

Автоматическое регулирование

Важная отрасль автоматики, без которой не может обойтись современная техника, современное производство, - автоматическое регулирование. Задача его состоит в том, чтобы в течение определенного времени поддерживать неизменной какую-либо величину. Применяется автоматическое регулирование там, где имеют дело с непрерывными процессами.

О некоторых автоматических регуляторах было рассказано в разделе, посвященном обратным связям. Отрицательная обратная связь выхода машины с входом обеспечивает строгое постоянство оборотов, температуры, влажности, химического состава, давления и других регулируемых величин.

Откройте капот автомашины. Среди прочих устройств, обеспечивающих ее нормальную работу, вы найдете коробку с надписью «реле-регулятор». Для чего она?

Каждый автомобиль имеет свою «электростанцию» - генератор постоянного тока. Напряжение, вырабатываемое им, зависит от числа оборотов автомобильного двигателя. Если бы не было автомата, следящего за величиной напряжения генератора, то при малых оборотах генератор не заряжал бы аккумулятор, а при больших - перегорали бы лампочки фар и портились другие потребители тока.

Реле-регулятор делает простую работу: он то увеличивает, то уменьшает сопротивление обмотки возбуждения генератора. Стоит напряжению генератора чуть-чуть подняться сверх нормы, щелкают контакты электромагнитного реле и в цепь возбуждения включается дополнительное сопротивление. Ток в этой цепи уменьшается, магнитное поле генератора становится слабее - напряжение генератора понижается.

Есть автоматические регуляторы, которым, в отличие от описанного выше, свойственно «послушание». Это следящие системы.

К городу приближается самолет. Антенна радиолокатора приняла слабый отраженный

Реле-регулятор. РОТ - реле обратного типа; ОТ - реле максимального тока; РН - регулятор напряжения.

сигнал, и тотчас вступила в действие автоматическая следящая система. Она будет держать антенну направленной точно на цель.

Широко распространены копировальные фрезерные станки, работающие по принципу следящих устройств. Они изготовляют копии деталей по моделям. На суппорте устанавливаются модель и заготовка. Легкий щуп скользит по модели, и движения щупа передаются на фрезы, которые обрабатывают заготовку, делают точную копию модели.

Созданы и более совершенные станки, которым модель не нужна. Они работают прямо по чертежу, который станок «читает» с помощью фотоэлемента. А некоторые станки человек «научил» работать по сигналам, записанным на магнитофонную ленту.

Автоматическое управление

Четвертая «профессия» автоматов - автоматическое управление. Понятие это более широкое, чем автоматическое регулирование. Попробуем раскрыть его на примерах.

Двигатели постоянного тока, особенно мощные, при пуске потребляют столько электроэнергии, что она может повредить якорь двигателя. Кроме того, большие толчки тока сказываются на работе соседних двигателей, включенных в эту же сеть.

Поэтому применяют пусковой реостат ступенчатое сопротивление. Им можно пользоваться вручную. Рабочий, включив двигатель, смотрит на амперметр - указатель потребляемого тока. Набирая обороты, двигатель сокращает потребление тока из сети. Рабочий при этом поворачивает рукоятку пускового реостата, уменьшая его сопротивление, и не дает току упасть ниже нормы. И так до тех пор, пока двигатель не разовьет нужных оборотов.

Но значительно лучше работает схема автоматического управления пуском двигателя. Рабочему только нужно нажать кнопку «пуск». Чувствительные реле будут самостоятельно изменять сопротивление в цепи якоря и обеспечат автоматический пуск электродвигателя.

Прокатный стан - гигант современной техники выдает очень важную продукцию: рельсы, балки, полосы. В нем насчитывается несколько десятков двигателей самой различной мощности. Главный двигатель стана приводит в движение прокатные валки, его мощность равна нескольким десяткам тысяч киловатт - этого достаточно, чтобы осветить город с 50-тысячным населением.

Стан дает хорошую продукцию лишь в том случае, если все его двигатели и другие механизмы работают слаженно. Эта слаженность обеспечивается системой автоматического управления. Ходом прокатки руководит оператор.

Около 5 тыс. переключений двигателей и других механизмов производит станция управления стана на Магнитогорском металлургическом комбинате. Только связанные в единую систему автоматы способны решить задачу управления таким сложным устройством, каким является прокатный стан.

Автоматическое управление все чаще осуществляется с применением вычислительных машин. Получая информацию от управляемого объекта, «мозг» автоматического устройства - вычислительная машина анализирует ее,

быстро находит единственно правильное решение и отдает соответствующее приказание.

Родная сестра автоматики

Автоматическое управление применяется и при полетах ракет, искусственных спутников Земли, космических кораблей.

Вывод корабля на заданную орбиту или приземление его - сложнейшая задача современной техники.

Телемеханика применяется для управления машинами на расстоянии.

Она затрудняется, в частности, тем, что некоторыми механизмами нужно руководить с Земли, т. е. на расстоянии. И все же космические полеты уже несколько лет совершаются успешно. Этот успех обеспечивают десятки автоматических помощников, управляе-

мых по радио при помощи средств телемеханики.

Телемеханика занимается устройствами, с помощью которых можно управлять машинами-автоматами, контролировать их работу на расстоянии, а также автоматически поддерживать связь между какими-либо объектами.

Телемеханика - родная сестра автоматики, она широко используется в технике. Пример наиболее распространенного телемеханического

устройства - автоматические телефонные станции (АТС). Набирая номер телефона, вы посылаете электрические импульсы на АТС, и автомат производит соединение с абонентом.

Сейчас средства телемеханики применяются для управления работой электростанций, находящихся за тысячи километров от диспетчерского пункта, для слепой посадки самолетов на аэродром, при исследованиях ионосферы и космоса.

КОМПЛЕКСНАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ

Простые детали - болты, винты, гайки и другие изделия - успешно делает один станок-автомат. Если же деталь сложна, если для ее изготовления необходимы токарные, сверлильные, фрезерные, шлифовальные работы, то станки выстраивают в ряд, создают автоматическую поточную линию. Каждый станок, выполнив свою операцию, передает деталь соседнему станку, и так до тех пор, пока деталь не будет готова полностью. Руководят линией, контролируют работу всех ее элементов с пульта управления.

Первая автоматическая линия в нашей стране была пущена в 1939-1940 гг.

На Волгоградском тракторном заводе работали автоматические гидравлические станки, изготовляющие пальцы гусеницы. Рабочий Иван Иночкин, использовав цепную передачу, заставил детали перекатываться от станка к станку.

Эта автоматическая линия состояла из пяти станков и выполняла всего лишь десять операций. Современные автоматические линии, изготовляющие сложные детали, производят сотни операций. Такой деталью является, например, блок автомобильного двигателя. Восемь десятков станков требуется для ее изготовления!

На поточных линиях автоматизируются не только основные производственные операции, но и вспомогательные - от транспортировок до упаковки готовой продукции. Это значит, что осуществляется комплексная автоматизация - высшая, наиболее целесообразная форма автоматизации.

В нашей стране число автоматических поточных линий растет из года в год. Наиболее перспективны при выпуске штучных изделий линии, получившие название роторных. В роторном автомате деталь и инструмент для ее обработки располагаются на барабане (роторе) и вращаются вместе с ним. Как же происходит обработка детали, если их взаимное расположение не меняется?

Как только деталь оказывается закрепленной в роторе, инструменты, «нацеленные» на нее, уже готовы действовать. Поворачивается ротор вокруг своей оси - инструменты получают воздействие от специальных ползунков и начинают обработку детали. Совершил ротор почти полный оборот - производственная операция завершена. Специальные захваты, смонтированные на соседнем, так называемом транспортном роторе, принимают деталь и передают ее другому рабочему ротору - для производства следующей операции. Так деталь переходит от одного вращающегося барабана к другому, пока ротор, стоящий в конце линии, не выдаст готовое изделие.

Общеизвестно значение пластмассовых изделий в технике. Роторные линии оказались исключительно выгодными для их прессования. Вот одна из них.

...Из бункера пресс-порошок поступает на первый ротор линии и делится на равные порции, потом он ссыпается в специальные гнезда, где под давлением в 500-700 атм спрессовывается в таблетки стандартного веса. Транспортный ротор подает их в ротор предварительного подогрева. Здесь токи высокой частоты разогревают таблетки до 120-140°, после чего специальные толкатели подают их в матрицы ротора прессования. Когда таблетка оказывается в гнезде прессовочной формы, опускается пуансон, и при давлении в 250 атм таблетка принимает форму будущего изделия. Когда пласт-

масса затвердеет, изделие из формы переходит на ротор механической обработки, где с него снимают заусеницы. Дальше - на конвейер проверки качества и упаковки.

На роторной линии, о которой мы рассказываем, можно одновременно изготовлять четыре разных изделия, причем линия легко перестраивается на выпуск изделий другой формы и веса. В год такая линия производит до 17 млн. изделий. Ее производительность в 10 раз больше, чем у гидравлических прессов, применявшихся ранее для прессования пластмассовых изделий. Вся роторная линия, состоящая из пяти рабочих роторов, занимает площадь в 3 раза меньшую, чем шесть-семь 50-тонных гидравлических прессов той же производительности. Она высвободила восемнадцать прессовщиц. Автоматические линии - важное средство комплексной автоматизации целых предприятий.

Первым полностью автоматизировали в нашей стране завод, выпускающий поршни для автомобильных моторов. Он состоит из четырех основных производственных участков: плавильного, где плавится алюминий и разливается в металлические формы - кокили; термического, где поршни проходят термическую обработку; участка механической обработки, состоящего из цепи токарных, сверлильных, фрезерных и шлифовальных станков, и участка автоматической сортировки и упаковки.

Диспетчерский пункт завода, оборудованный различными средствами сигнализации, контроля, учета и управления, позволяет следить за всем производством из одного места. Завод выпускает 3000-3500 изделий в смену, а работают на нем всего пять операторов.

Этот завод появился давно, он сравнительно невелик. Сейчас среди полностью автоматизированных предприятий имеются и бетонные заводы, и гидроэлектростанции, и хлебозаводы, и заводы по изготовлению искусственного шелка. Комплексная автоматизация позволит быстрее выполнить большие задачи, связанные с развитием химической промышленности нашей страны.

Побываем на Лисичанском химическом комбинате. Он состоит из нескольких крупных заводов, производящих аммиак, минеральные удобрения, капролактам, уксусную кислоту и т. д. Здесь внедряется комплексная автоматизация. Вместо людей работают пневматические, электрические и электронные автоматы. Успешно применяются и вычислительные машины. Они анализируют поступающую из цехов информацию, «подсказывают» оператору, как вести производственный процесс.

Предприятий такого типа с каждым годом становится все больше и больше.

Важно отметить следующее: комплексная автоматизация позволяет совершенствовать технологические процессы. Например, работы по автоматизации разливки и прокатки стали привели к созданию установок для непрерывной разливки стали. Выплавленную сталь выливают не в изложницы, как это делалось раньше, а в тонкостенную трубку - кристаллизатор.

Остывая, металл попадает прямо в валки прокатного стана. Новое оборудование занимает меньше места и обслуживается меньшим числом рабочих.

Задачи, которые решает комплексная автоматизация в нашей стране, состоят в том, чтобы при уменьшении продолжительности рабочего дня максимально увеличить производительность труда, сделать труд каждого интересным, творческим.

ЗА 500 КИЛОМЕТРОВ

Вычислительный центр Академии наук УССР находится в Киеве. А мартеновские печи, плавящие сталь,- в городе металлургов - Днепродзержинске. И отделяет киевские электронно-вычислительные машины от днепродзержинских мартенов немалое расстояние - 500 км. Но для современной советской техники расстояние не помеха.

Одна из киевских вычислительных машин по заранее составленной программе провела «заочную» плавку стали в днепродзержинской мартеновской печи.

С момента загрузки печи сырьем радиосигналы подробно сообщали в Киев, как идет технологический процесс плавки. Машина бесперебойно принимала сигналы, «изучала» и «продумывала» их, своевременно регулировала работу мартена и правильно оценивала пробы стали на готовность. А когда в назначенный час завершился технологический процесс, машина «распорядилась» выпустить готовую сталь из мартена.

НА ЗАВОДЕ ТОЛЬКО ДВА ЧЕЛОВЕКА

Этот завод-автомат единственный в мире. Он построен в нашей стране. За год он выпускает 110 тыс.. м³ бетона или растворов различных марок. Этим заводом управляют только два человека в каждой смене.

Но если таким мощным предприятием ведают только два человека, то, значит, все операции производят машины? Да, и не простые машины, а машины-автоматы.

Как же проходит здесь производственный процесс? А вот как: при въезде на заводскую территорию водитель самосвала закладывает в программно-счетное устройство небольшую перфокарту. На ней записана программа работы автоматов. Не успела перфокарта попасть в приемное устройство, как начинают работать автоматы-дозаторы, отмеряющие точные порции сырья, а бетономешалки-автоматы приготавливают заказанную продукцию. Автоматы-погрузчики загружают самосвал готовым бетоном или раствором. Водителю остается только отвезти бетон к месту стройки.

БУДУЩЕЕ АВТОМАТИКИ

Новое входит в нашу жизнь постепенно, уживаясь с тем, что уже давно было создано человеком. Это относится и к развитию автоматики. Поэтому в ближайшие годы не сойдут со сцены и простейшие автоматические регуляторы, и циклические станки-автоматы без обратных связей. Однако в целом конструкция и характер автоматических устройств существенно изменятся, как изменится и само производство.

В технике сейчас заметен переход к непрерывным производственным процессам. Разливка и прокат стали, переработка нефти, целый ряд производств в пищевой промышленности уже осуществляются без пауз, т. е. непрерывно. Такие процессы легче автоматизировать, чем прерывистые, но ими человеку труднее управлять. Поэтому в будущем будет все больше и больше электронных вычислительных машин, которые возьмут на себя обязанности технологов. Вычислительная машина, непрерывно получая информацию о ходе процесса, будет сама принимать решение - выбирать наиболее выгодный режим работы отдельных машин и механизмов, ликвидировать и предотвращать брак и, «накапливая опыт», улучшать производство.

Человек не будет иметь постоянного контакта непосредственно с машинами, поэтому автоматы будущего должны быть исключительно надежны, безотказны в работе.

С внешним миром полностью автоматизированное предприятие свяжут четыре пути: по одному будет поступать энергия, по второму - сырье, по третьему - выходить готовая продукция; четвертый путь - это канал

информации, по нему поступят заказы на ту или иную продукцию и придут сообщения о выполнении заказа.

Автоматика займет важное место в научных исследованиях. В космосе, в глубинах океана, под землей будет работать все больше автоматических лабораторий. Результаты исследований помогут обобщить машины-автоматы.

Особенно важными будут автоматические устройства в химических исследованиях. Можно представить безлюдную химическую лабораторию-автомат, которая самостоятельно произведет многие тысячи опытов, создаст и выделит вещества с нужными свойствами.

Неизмеримо возрастет роль автоматики и в сельском хозяйстве.

Заглядывая в будущее автоматики, можно с уверенностью сказать, что в ней значительно возрастет роль электроники. Конечно, будут совершенствоваться и механические автоматы, но преобладающую роль будут играть приборы и аппараты с электронным управлением. Электроника станет необходимым элементом многих технологических процессов. Окраска, глазурование, эмалирование, изготовление тканей, очистка нефти, обогащение полезных ископаемых, калибровка зерен, распыление ядохимикатов на полях - вот далеко не полный перечень возможностей электронной технологии. Ее внедрение в производство открывает благоприятные возможности для комплексной автоматизации целых отраслей народного хозяйства.

Автоматы будущего, созданные на основе достижений электроники, изменят и свой внешний облик. Современные автоматы пока велики

по размерам, потребляют довольно много энергии, хотя применение полупроводников, печатных схем, ферритов дает возможность создавать компактные датчики, усилители и реле. Но уже сейчас разрабатываются еще более миниатюрные микромодульные и пленочные схемы. В микромодульных схемах не нужно изготовлять и монтировать отдельные детали, каждый элемент микромодуля - комплекс нескольких деталей. В пленочных схемах, представляющих собой совокупность пленочных деталей, нанесенных на общую изоляционную подложку, плотность монтажа еще выше. Многослойные пленочные схемы уже сейчас позволяют довести плотность монтажа до тысячи деталей на кубический сантиметр.

Неверно думать, что целью автоматизации является замена человека машиной. Автоматизация помогает человеку, делает его труд высокоэффективным. Она никогда не вытеснит человека из сферы производства; наоборот, роль человека повысится.

будет контролировать работу автоматов, и те, кто их будет создавать,- должны быть людьми больших знаний, высокой технической культуры. Рабочий по квалификации приблизится к инженеру.

Мы попробовали представить автоматику будущего. Но все, что здесь было сказано,- это не только ее будущее, но, в известной мере, и настоящее. Тысячи инженеров, изобретателей, ученых сейчас, сегодня в лабораториях и цехах трудятся над воплощением своих планов, делают сказку былью. Их труд вливается в труд всего советского народа, выполняющего грандиозную программу строительства коммунизма в нашей стране. В Программе Коммунистической партии Советского Союза четко определена огромная роль автоматизации. «В течение двадцатилетия,- сказано в Программе КПСС,- осуществится в массовом масштабе комплексная автоматизация производства со все большим переходом к цехам и предприятиям-автоматам, обеспечивающим высокую технико-экономическую эффективность».

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

ЧТО ТАКОЕ РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

Электроникой называется наука и область техники, занимающиеся изучением электронных процессов в вакууме, газах, полупроводниках, а также разработкой, производством и применением электронных приборов и устройств. Электроника и радиотехника, взаимно дополняя друг друга, образовали обширную совокупность многих наук и областей техники, которая получила название радиоэлектроники.

С помощью современной радиоэлектроники человек открывает тайны атомного ядра,

успешно изучает свойства живой клетки, мир вирусов и бактерий, недра Земли, проникает в невообразимые дали космоса.

Радиоэлектроника широко применяется для связи на земле, в море, воздухе и космосе, для определения местоположения, направления движения и скоростей самолетов, кораблей, искусственных спутников Земли, космических кораблей, для автоматизации самых разнообразных видов производства, в биологии и медицине, для закалки стали, обнаружения косяков рыбы

в морях и океанах, для передачи речи, музыки, телевизионных программ, для решения с помощью электронных вычислительных машин сложных математических уравнений и для многих других целей.

Большое значение для развития радиоэлектроники имело изобретение в 1948 г. полупроводникового триода. Это положило начало широкому использованию полупроводниковых приборов в самых различных радиоэлектронных устройствах и системах. Применение полупроводниковых приборов дало возможность создавать миниатюрные и сверхминиатюрные детали - такие маленькие, что в 1 см³ их помещается более тысячи штук!

Важнейшим событием в области электроники явилось открытие квантовой электроники. Оно было сделано советскими учеными членами-корреспондентами Академии наук СССР Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и американским ученым Таунсом, удостоенными в 1964 г. Нобелевской премии. Идеи квантовой

электроники позволили создать квантовые генераторы, излучающие видимые электромагнитные волны, чрезвычайно похожие на узкий пучок света.

Применение квантовых генераторов дало возможность, например, построить радиоэлектронные часы. Они ходят с колоссальной точностью - отклонение до одной секунды за несколько тысяч лет!

Чрезвычайно широкое применение электронных приборов в самых разнообразных областях народного хозяйства, науки, техники, культуры и быта людей объясняется их ценными свойствами - быстродействием, гибкостью и универсальностью, точностью и чувствительностью, малогабаритностью.

Многие трудные проблемы современности будут решены с помощью методов и средств радиоэлектроники. И если на планетах далеких звездных систем есть разумная жизнь, то первый контакт с ними тоже, очевидно, будет установлен с помощью радиоэлектроники.

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ НОСИТЕЛЬ ИНФОРМАЦИИ

Чем же объясняется такая популярность, а главное, такая универсальность радиоэлектроники? Чтобы ответить на этот вопрос, надо отыскать основу всех ее «талантов» и «способностей».

Начнем с одного, казалось бы, совсем наивного вопроса: без чего человек не может жить? Наверняка все вы правильно ответите: человеку жизненно необходимы воздух, пища, вода, одежда, жилье... Может быть, кто-нибудь, отвечая на наш вопрос, вспомнит Робинзона Крузо и перечислит основные материалы, инструменты продукты, которые помогли ему наладить жизнь на необитаемом острове. Все это правильно. Но есть еще одна вещь, жизненно необходимая человеку. Мы имеем в виду различную информацию, без которой люди не могли бы жить и трудиться.

В привычном для нас смысле слово «информация» - это сведения, которые получает человек. Сейчас в технике это слово понимается более широко - речь идет уже не только о сообщениях, получаемых человеком, но и об определенных сигналах, которые получает

машина от человека или от специального автоматического устройства с датчиками (см. статьи раздела «Автоматика»).

Короче говоря, слово «информация» нужно понимать очень широко. Определенная информация, например, содержится в узорчатом профиле обычного ключа, и только благодаря этому он «узнает» свой замок. Важную инфор-

Электрический сигнал - универсальный носитель информации.

нацию можно получить, прислушиваясь к дыханию больного или к шуму автомобильного мотора. Информация «спрятана» в извилистых бороздках граммофонной пластинки, на страницах вашего учебника, в чертежах, в расположении звезд на ночном небе, в структуре сложной молекулы.

Информация все время находится в движении, в действии - ее накапливают, расходуют, изучают, сортируют, вводят в машины, получают от них, пересылают с континента на континент, передают из поколения в поколение. Она необходима, чтобы выплавлять сталь, строить города, воспитывать детей, управлять государством. Материальный и культурный уровень всей нашей жизни в огромной степени определяется количеством полезной информации, которую используют люди и их ближайшие «помощники» - машины.

Информация не может существовать сама по себе. У нее всегда есть вполне определенный материальный носитель. Древний человек записывал информацию каменным рубилом на стенах пещер. Мы с вами пользуемся более удобными средствами записи, например авторучкой или пишущей машинкой. В механической счетной машине информация «записана» в системе зубчатых колес. А в живой клетке носителем информации могут быть цепочки сложных химических соединений.

Среди разнообразных носителей информации особое место занимают электрические сигналы. И вот почему.

Во-первых, электрический сигнал - универсальный носитель информации. С его помощью сравнительно просто передать буквы и цифры (телеграф), речь и музыку (телефон), изображение (фототелеграф), исходные данные и программы для вычислительных машин, команды управления для автоматов. Различные датчики могут записать в виде электрических сигналов данные о температуре, давлении, скорости, ускорении, концентрации химических веществ, плотности, яркости, радиоактивности, влажности и т. д.

Во-вторых, электрический сигнал может легко и очень быстро переносить информацию на огромные расстояния как по проводам, так и без них, с помощью радиоволн. «Очень

График показывает характер изменения той или иной величины с течением времени, например изменение скорости.

быстро» в данном случае означает со скоростью 300 000 км/сек, т. е. со скоростью света.

В-третьих, и это, по-видимому, самое важное, электрические сигналы довольно просто (во всяком случае, проще, чем другие носители) подвергать самым различным преобразованиям. Сигналы эти можно усиливать, ослаблять, суммировать, разделять, сравнивать между собой и с эталонами, получать из одних (например, из световых) сигналов и преобразовывать в другие (например, в звуковые) сигналы.

Благодаря этим, а также некоторым другим важным достоинствам электрический сигнал стал самым распространенным носителем информации. Существуют, конечно, и другие сигнальные системы, которые обходятся без электричества. Это пневматические автоматы, где сигналами служат потоки сжатого воздуха, а также тепловые, гидравлические и механические сигнальные системы. Подобные устройства имеют ряд достоинств и находят практическое применение. Однако везде, где речь идет о скорости, экономичности, чувствительности, сложных преобразованиях или больших расстояниях, электрический сигнал остается вне конкуренции.

Все основные операции с электрическими сигналами осуществляются с помощью радиоэлектронной аппаратуры. Именно поэтому радиоэлектроника находит такое широкое применение в различных областях науки, техники, экономики, культуры.

В МИРЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Радиоэлектронные аппараты - это своего рода фабрики по переработке электрических сигналов. Прежде чем знакомиться с этими фабриками, с их работой и оборудованием, полезно узнать, какую «продукцию» они выпускают, что представляют собой сигналы, которые получаются после переработки. Об этом может рассказать график - своеобразный рабочий чертеж электрического сигнала. На графике сигнал изображают как бы развернутым во времени, т. е. показывают, как меняется с течением времени электрический ток или напряжение.

Как «изготовляют» электрические сигналы

Некоторые виды сигналов получают с помощью постоянного тока. Его можно встретить во многих контрольных приборах, например в обычном фотоэкспонометре. Здесь полупроводниковый фотоэлемент под действием света вырабатывает постоянный электрический ток, а он в свою очередь отклоняет стрелку при-

Электрические сигналы: а - медленно изменяющийся ( «постоянный») ток; б - импульсный прерывистый ток; в - непрерывный пульсирующий ток. Часто все эти виды сигналов объединяют общим названием - «пульсирующий ток».

бора. Чем сильнее свет, тем больше ток, тем дальше отклоняется стрелка.

Если растянуть электрическую цепь экспонометра на большое расстояние, то он даст нам простейшую модель линии связи. Сам фотоэлемент будет играть роль передатчика, измерительный прибор · роль приемника, а по соединительным проводам пойдет электрический сигнал - постоянный ток.

Слово постоянный нам следовало бы взять в кавычки. Действительно, для передачи сигнала постоянным током необходимо, чтобы у этого тока было несколько различных значений. Какой же он постоянный?

Если ток, не изменяя направления, сравнительно быстро меняет величину, то это пульсирующий ток. В таком сигнале важны все промежуточные значения - важно, как он меняется, например насколько резко нарастает или падает.

Весьма распространенный тип сигналов - электрические импульсы, «толчки» тока. Импульсные сигналы позволяют применять много различных способов записи информации. Можно, например, менять высоту импульсов, их длительность, время появления, а также использовать всевозможные комбинации различных импульсов. Последний способ применяется в телеграфии при передаче знаков в виде коротких и длинных импульсов - «точек» и «тире». Электрические импульсы - основной вид сигналов, которые перерабатываются в вычислительных машинах и электронных автоматах.

При передаче импульсных сигналов по линии связи появляется возможность ее «уплотнения» или, проще говоря, возможность использования одной линии для нескольких каналов связи. В такой многоканальной системе на передающей и на приемной стороне устанавливают быстродействующие коммутаторы, которые поочередно подключают соединительные провода то к одной паре передатчик - приемник, то к другой. Длительность импульсов и пауз между ними выбирают с таким расчетом, чтобы во время паузы в одном из каналов коммутатор успел подключить к линии остальные. Подобный метод называется временным разделением каналов, т.е. разделением по времени. Он широко применяется в системах многоканального телеграфа, а также в системах телеметрии и телеуправления.

Особое место занимают электрические сигналы, «изготовленные» из переменного тока, у которого, как известно, меняется не только величина, но и направление. С переменным током и переменным напряжением можно производить ряд исключительно важных преобразований, например повышать или понижать с помощью трансформаторов. Только переменный ток создает электромагнитные волны, которые переносят электрические сигналы на большие расстояния без соединительных проводов. Используя переменный ток, можно сравнительно просто уплотнять линии связи.

Основные характеристики переменного тока - это его амплитуда - наибольшая величина, а также период - время, в течение которого происходит полный цикл изменений тока. Вместо периода почти всегда применяется производная величина - частота, т. е. число периодов за единицу времени. Единица частоты 1 герц (сокращенно гц) соответствует одному периоду за одну секунду. Более крупные единицы - килогерц (1 кгц= 1000 гц) и мегагерц (1 Мгц =1000 кгц= 1 000 000 гц). В радиоэлектронной аппаратуре используют переменные токи низкой частоты (НЧ) - от нескольких герц до 20 килогерц и токи высокой частоты (ВЧ) - от десятков килогерц до многих тысяч мегагерц. Часто выделяют еще и сверхвысокочастотные (СВЧ) - от нескольких тысяч мегагерц и выше.

Переменный ток, так же как и пульсирующий, позволяет формировать самые различные сигналы. Для записи информации можно осуществлять амплитудную модуляцию (AM) либо частотную модуляцию (ЧМ), т.е. менять амплитуду переменного тока либо его частоту.

Некоторые способы передачи информации с помощью импульсного тока: а - амплитудно-импульсная модуляция (АИМ); б - широтно-импульсная модуляция (ШИМ); в - фазово-импульсная модуляция (ФИМ).

Чтобы получить модулированный сигнал, нужно иметь два переменных тока. Один из них - модулирующий ток - это обычный электрический сигнал сравнительно низкой частоты, в изменениях кото-

Система с временным разделением каналов. ГИ - генераторы импульсов; К - коммутаторы; Д - детекторы. 1 - низкочастотные сигналы; 2 - высокочастотные импульсы; 3 - модулированные сигналы; 4 - суммарный сигнал в линии.

Распространенные способы управления высокочастотным током - амплитудная и частотная модуляции.

рого «записана» та или иная информация. Второй высокочастотный ток - сам никакой информации не содержит, его задача лишь пройти по линии связи и «перенести» по ней модулирующий ток, точно передать все его изменения. Высокочастотный ток поэтому и называют током несущей частоты. Оба тока - низкочастотный и высокочастотный - направляют в общий электронный блок, где осуществляется модуляция. Из этого блока выходит модулированный сигнал - высокочастотный ток, амплитуда (или частота) которого меняется по образцу низкочастотного сигнала.

Может возникнуть законный вопрос: зачем нужна эта довольно сложная операция, почему нельзя в линию связи направить «чистый» низкочастотный сигнал? Нужно сказать, что очень часто именно так и поступают. В городских телефонных сетях, в системе проводного радиовещания никакой модуляции не применяют, и по линиям связи циркулирует только низкочастотный ток. Но в ряде случаев низкочастотный сигнал оказывается непригодным. Так, например, только высокочастотный ток позволяет эффективно излучать радиоволны и, таким образом, передавать сообщения без проводов (подробнее об этом рассказано в ст. «Радиосвязь»).

Используя высокочастотные модулированные токи, тоже можно «уплотнять» линии связи. Но если при временном разделении линии на несколько каналов различные передачи идут «по очереди», то в данном случае по каждой из линий связи большое число телефонных разговоров, телеграмм, телевизионных программ и других сигналов передается одновременно. На передающей стороне такой уплотненной линии находится несколько генераторов переменного тока, каждый из которых работает на своей несущей частоте и переносит один из низкочастотных сигналов. На приемной стороне имеются электрические фильтры. Каждый из них настроен на определенную несущую частоту и только ее и выделяет из сложного суммарного сигнала, «путешествующего» по линии. После фильтра высокочастотный модулированный сигнал поступает на детектор (демодулятор), который осуществляет первую операцию по считыванию информации. Детектор преобразует модулированный переменный ток в пульсирующий, а из него в итоге удается выделить низкочастотный переменный ток- «копию» того, который осуществлял модуляцию. «Оригинал» и «копия» могут резко отличаться по величине: в приемнике ток почти всегда намного слабее. Однако с точки зрения передачи информации все это несущественно. Важно лишь, чтобы «копия» и «оригинал» имели одинаковую форму графиков, чтобы в точности сохранился характер изменения тока, так как именно в нем записана информация. Точно так же одно и то же слово можно записать буквами разных размеров.

Подобная система называется частотным уплотнением или, иначе, частотным разделением каналов. Более подробно с отдельными ее элементами - генератором высокочастотного тока, фильтрами, детектором - можно познакомиться в статье «Элементы радиоэлектронной аппаратуры».

В заключение несколько слов о том, как надо понимать слова «высокочастотный» и «низкочастотный», когда речь идет о модулирующем (НЧ) и модулируемом (ВЧ) сигналах. В данном случае важно одно: модулируемый (несущий) ток должен иметь во много раз более высокую частоту, чем модулирующий. При этом может оказаться, что оба тока имеют низкую частоту (например, 1000 и 10 гц при передаче телеграфных сигналов) или оба имеют высокую частоту (например, 60 и 6 Мгц при передаче телевидения). В системах радиосвязи и радиовещания модулируемый сигнал всегда высокочастотный (выше 100 кгц), а модулирующий - всегда низкочастотный (не выше 20 кгц).

Спектры сигналов

Во всех случаях информация, передаваемая с электрическим током, «записана» в форме кривой электрического сигнала, в характере изменения тока. Именно формой кривой отличаются сигналы, соответствующие различным звукам речи, разным телевизионным «картинкам» или совершенно противоположным коман-

Система с частотным разделением каналов. Г - генераторы несущих частот; Ф - фильтры; Д - детекторы. 1 низкочастотные сигналы; 2 - несущая частота; 3 - модулированные сигналы; 4 - суммарный сигнал в линии.

дам, управляющим электронными автоматами. Поэтому ясно, как важно при передаче и преобразовании электрических сигналов сохранить неизменной их форму, не допустить ее искажения.

Ну, а как судить о форме кривой, как оценивать степень искажения сигнала? Чтобы лучше понять принцип, которым для этой цели пользуются, приведем такое сравнение.

Представьте, что вам нужно измерить площадь, которую занимает на карте Черное море. В этом случае можно поступить так: покрыть всю поверхность моря квадратами, а затем измерить и просуммировать их площадь. Основное место займут большие квадраты, к ним будут прилегать квадраты помельче. И наконец, совсем маленькие квадратики дополнят очертания.

Нечто подобное можно проделать и со сложным электрическим током - его также можно сложить из более простых токов, из более простых, однотипных составляющих. Теперь, для того чтобы точно описать форму любого сигнала, достаточно указать все его составляющие - их частоты, амплитуды и фазы (начальные сдвиги во времени). Такой набор составляющих сигнала принято называть его спектром.

Сложную геометрическую фигуру можно разложить на самые различные элементы на прямоугольники, круги, ромбы, треугольники и др. Для измерения площади моря мы выбрали в качестве составляющих квадраты,

потому что их площадь легче всего измерить. А что выбрать для разложения сложных переменных токов? Ведь и в этом случае можно воспользоваться самыми различными по форме составляющими, например прямоугольными или треугольными импульсами разной величины, с различной длительностью и направлением. Из всего многообразия токов выбор пал на синусоидальный переменный ток, т. е. на такой ток, график которого имеет вид синусоиды.

Синусоида - это график, который много веков назад был получен математиками. Она показывает, как в прямоугольном треугольнике может изменяться длина одного из катетов. Если для различных значений острого угла измерять длину противолежащего катета (точ-

Измерить площадь сложной фигуры можно, разбив ее на квадраты.

Синусоида - кривая, которая характеризует многие физические явления.

нее, его отношение к гипотенузе) и откладывать полученные значения на графике, то мы как раз и получим синусоиду.

Однако синусоиду можно встретить не только в учебнике геометрии. На каждом шагу попадается она в книгах по радиотехнике, акустике, механике, атомной и молекулярной физике, оптике, электротехнике. Дело в том, что отвлеченная геометрическая фигура - синусоида - оказалась точной копией графиков

Чтобы точно определить форму сложного сигнала (а), его представляют в виде суммы синусоидальных составляющих б, в, г. «Набор» всех этих составляющих называют спектром сигнала (пятый график).

самых различных физических процессов, например таких, как световые колебания или колебания идеального (без трения) маятника, как переменный ток, который получается при вращении проводника в магнитном поле. Процессы, протекающие по синусоидальному закону, т. е. процессы, график которых имеет вид синусоиды, обладают многими замечательными свойствами. Синусоидальный переменный ток, например, проходит без искажений по сложным электрическим цепям, в которых ток любой другой формы сильно искажается. Еще одно замечательное свойство синусоидального тока заключается в том, что с помощью колебательных контуров (см. стр. 157) можно не условно, а по-настоящему выделить из сложного тока все его синусоидальные составляющие.

Кстати говоря, разложение сложного сигнала на синусоидальные составляющие происходит и в слуховом аппарате человека. Как это происходит, пока еще до конца не выяснено. Согласно одной из теорий, в ухе около 20 тыс. тончайших волокон - своего рода «струн». Каждая из них «настроена» на определенную частоту и выделяет одну из синусоидальных составляющих сложного звука. В дальнейшем «струны» подают в слуховой нерв сигналы о силе той или иной синусоидальной составляющей. Все вместе они «сообщают» о спектре сложного звукового сигнала.

Существует электронный прибор - анализатор спектра, на экране которого сразу получается своего рода график - серия вертикальных линий, высота которых пропорциональна синусоидальным составляющим исследуемого электрического сигнала.

На рисунке показаны примерные спектры некоторых сигналов. Первый из них - периодически повторяющиеся импульсы. Этот сигнал можно разложить на составляющие с кратными частотами - гармоники. У второй гармоники частота в два раза больше, чем у первой, у третьей - в три раза больше и т. д. Кроме гармоник, в спектре импульсов есть некоторый постоянный ток - постоянная составляющая (ПС), которая говорит о том, что электрические заряды постепенно перемещаются в одном направлении (рис. на стр. 149 внизу).

Ток сложной формы возникает в цепи микрофона под действием звуковых волн. Этот ток - своего рода электрическая копия звука, и поэтому для разных звуков получаются разные спектры сигнала. Так, например, при разговоре спектр занимает сравнительно узкую полосу частот - от 200-300 до 2-3 кгц. Для

музыки, особенно в исполнении оркестра, полоса заметно шире. Высокочастотные составляющие в основном обязаны своим появлением таким инструментам, как флейта или скрипка, низкочастотные - барабану и контрабасу.

Кратковременные одиночные импульсы, например грозовые разряды, дают сплошной спектр, в котором есть составляющие любых частот, причем с увеличением частоты амплитуда составляющих уменьшается.

Если при модуляции (см. стр. 145) амплитуду несущей частоты изменяют по синусоиде,

спектр модулированного сигнала состоит из трех составляющих - несущей и двух боковых. Одна из боковых частот выше несущей, другая - ниже. Чем выше модулирующая частота, тем больше интервал между несущей и боковыми частотами. При модуляции высокочастотного тока сложным сигналом появляются целые боковые полосы частот. Проще говоря, если одну и ту же несущую частоту «нагружать» речью или оркестром, то во втором случае спектр модулированного сигнала будет намного шире.

БОЛЬШАЯ СЕМЬЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Электрические сигналы обычно преобразуются с помощью электронных приборов, к которым в первую очередь относятся электровакуумные, газонаполненные и полупроводниковые. Устроены они по-разному, используют различные физические процессы, а принцип действия у всех один: в приборе создается направленный лоток свободных электрических зарядов, из этого потока, в соответствии с каким-либо образцом, формируется электрический сигнал. Устройство электронного прибора позволяет управлять этим процессом, так или иначе влиять на свойство сигнала, например усиливать его по сравнению с образцом, превращать электрический сигнал в световой, переменный ток - в постоянный и т. п.

Электронные лампы

Простейший электровакуумный прибор - диод. Основа его - стеклянный, металлостеклянный или металлокерамический баллон, из которого откачан воздух (создан вакуум). Внутри баллона находятся два (отсюда и название «диод») металлических электрода - анод и катод.

Катод накаляют до 800-1200°, а иногда и до 2500-2800°. Как известно, с повышением температуры хаотичное движение электронов в металле становится более интенсивным. Многие электроны «выпрыгивают» из раскаленного катода. Явление это называется термоэлектронной эмиссией.

Диод пропускает электрический ток лишь в одном направлении. Поэтому с его помощью можно превращать переменный

С помощью трехэлектродной лампы можно усиливать электрические сигналы.

Присоединим анод и катод к батарее - ее обычно называют анодной. Если «плюс» батареи подключен к аноду, то к нему устремятся вылетевшие из катода электроны (их заряд «минус») и в лампе появится нужное нам движение свободных зарядов - анодный ток. Совершенно ясно, что никакого тока в лампе не будет, если на анод подать «минус». В этом случае анод не только не будет притягивать электроны, но даже, наоборот, будет их отталкивать. Отсюда можно сделать вывод: диод пропускает ток только в одном направлении.

Теперь нетрудно сообразить, что произойдет, если включить между анодом и катодом источник переменного тока: диод будет работать «через такт», будет пропускать ток только в те моменты, когда на аноде действует «плюс». Это значит, что с помощью диода можно превратить переменный ток в пульсирующий, или, как еще говорят, выпрямить переменный ток. За свою одностороннюю проводимость диод получил название электрического вентиля.

Первые электровакуумные диоды появились в 1904 г., а через три года американский инженер Ли де Форест создал на их базе триод, т. е. трехэлектродную лампу. Появление триода произвело в радиотехнике настоящую революцию, так как он впервые позволил осуществить усиление (а вместе с ним и целый ряд других исключительно важных преобразований) электрических сигналов.

В трехэлектродной лампе между анодом и катодом есть металлическая сетка (она называется управляющей). Сетка расположена очень близко к катоду, и поэтому напряжение на ней сильно влияет на количество и скорость электронов, летящих к аноду, т. е. на величину анодного тока. Даже небольшой «минус» на

управляющей сетке, отталкивая электроны к катоду, может полностью прекратить анодный ток, несмотря на все усилия анодной батареи (к аноду всегда подключен «плюс») с напряжением 100-200 в.

Сетку триода обычно сравнивают с рычагом, который позволяет слабым усилием перемещать большие тяжести. Сигнал, который нужно усилить, подводят к входу лампы, к участку сетка - катод, а усиленный сигнал получают на выходе - в анодной цепи триода. Энергию для усиления исходного сигнала поставляет анодная батарея. Усилительная же лампа, в частности триод, лишь дает возможность управлять этой энергией, менять постоянный ток анодной батареи, превращая его в мощную копию слабого сигнала.

Усилительная лампа делает примерно то же самое, что и обычное электромагнитное реле. Но реле умеет лишь включать и выключать источник мощного сигнала. Что же касается лампы, то ее анодный ток буквально «следует по пятам» за напряжением на управляющей сетке. Поэтому он может в точности скопировать входной сигнал любой формы.

Триоды и сейчас применяются весьма широко, однако в ряде случаев значительно лучшие результаты дают более сложные усилительные лампы - тетрод (четырехэлектродная) и пентод (пятиэлектродная). В тетроде, помимо управляющей, есть так называемая экранная сетка, расположенная невдалеке от анода. На нее, так же как и на анод, подается положительное напряжение. В пентоде, кроме того, есть еще одна, третья по счету, сетка, которую обычно так и называют - пентодной. Она расположена между экранной сеткой и анодом, а соединена с катодом обычно внутри баллона.

Упрощенное устройство и условное обозначение некоторых электронных ламп: 1 - баллон; 2 - катод; 3 - подогреватель; 4 - анод; 5 - управляющая сетка; 6 - экранная сетка; 7 - пентодная (антидинатронная) сетка.

Дополнительные сетки в тетроде и пентоде играют вспомогательную роль. Каждая из них по-своему улучшает управление анодным током, облегчает работу «командного пункта» - управляющей сетки.

Конструкция современных ламп такова. В центре баллона «столбом» стоит катод, а вокруг него на металлических стойках - траверсах - закреплены сетки и анод, имеющий форму цилиндра или прямоугольного короба. Кстати, сетки теперь уже совсем не сетки, а навитые на траверсы проволочные спирали.

Из всех электродов особого внимания заслуживают катоды, которые можно разбить на две основные группы - подогревные и прямого накала. В первом случае катод - это тонкая трубочка. В нее вставлена тщательно изолированная нить электрического подогревателя, который можно питать переменным током. Катод прямого накала - это тонкая проволочка. Она «по совместительству» сама выполняет роль подогревателя, питание которого осуществляется постоянным током.

Чтобы облегчить электронам выход из катода, его, как правило, покрывают очень тонким слоем вещества, которое помогает электронам «выпрыгнуть» из катода. Такие катоды называются активированными. Они работают при сравнительно низких температурах и очень боятся перегрева. Если на 10-20% превысить напряжение накала, активный слой может разру-

Устройство электронной лампы: а - конструкция триода; б- катод прямого накала; в - подогревный катод. 1 - баллон; 2 - анод; 3 - сетка; 4 - катод; 5 - подогреватель (нить накала); 6 - траверсы; 7 - цоколь; 8 - штырьки; 9 - ламповая панель.

шиться и катод преждевременно «потеряет эмиссию» - перестанет выбрасывать электроны.

Многое об электронной лампе можно узнать по ее названию. Первый элемент названия - цифра, она примерно указывает напряжение накала. Чаще других на первом месте встречаются цифры 6 или 1, которые соответствуют напряжению накала 6,3 или 1,2 в.

Второй элемент названия - буква, характеризующая тип электронной лампы. Диоды,

в частности, обозначаются буквой Д, триоды - С, тетроды - Э, пентоды - Ж и К. Сравнительно мощные пентоды и тетроды для радиоприемников и телевизоров (выходные лампы) имеют специальное обозначение - букву П; буквой Ц обозначают кенотроны - диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока. В приемниках можно встретить и не совсем обычные лампы, обозначаемые буквами А и Е. Первая из них - гептод - семиэлектродная лампа с двумя экранными, а главное, с двумя управляющими сетками. Вторая лампа - оптический индикатор настройки (светящийся зеленый «глазок»).

В большом ассортименте выпускаются так называемые комбинированные лампы, где в одном баллоне находятся два, а то и три самостоятельных электронных прибора. Каждая такая комбинация также имеет свое обозначение: двойной диод - X, двойной триод - Н, диод-триод - Г, диод-пентод - Б, триод-пентод - Ф, триод-гептод - И.

Третий элемент обозначения - цифра, указывающая конкретный тип лампы. Например, лампы 6К3 и 6К4 - это разные типы пентодов, 6А7 и 6А8 - разные типы гептодов, 6П1П и 6П14П - разные типы выходных ламп. Как видно из двух последних обозначений, в название лампы может входить и четвертый элемент - еще одна буква. Она говорит о конструктивных особенностях лампы. Так, буква С означает «стеклянная», П - «пальчиковая» (т. е. сравнительно небольшая), К - «металлокерамическая», Б - «миниатюрная» (диаметр - 10 мм), Р - «сверхминиатюрная» (диаметр - 4 мм), Ж - лампа типа «желудь».

Для удобства замены ламп их включают в аппаратуру через контактные ламповые панельки. Ножки ламп, соединенные с электродами, вставляют в соответствующие гнезда панельки, к которым подключены электрические цепи самого аппарата.

До сих пор мы говорили о сравнительно небольших и маломощных, так называемых приемно-усилительных лампах. Даже самые мощные из них усиливают сигнал не более чем до 5-6 вт. Обычно этого достаточно, чтобы создать громкое звучание приемника или телевизора. Однако для больших радиоузлов и радиопередатчиков нужны совсем другие мощности - здесь счет идет на киловатты, а иногда даже на тысячи киловатт.

По принципу действия мощные электронные лампы (обычно это триоды) мало отличаются от уже знакомых нам приемно-усилительных, но

устроены они совсем по-другому. Уже при мощностях 20-30 квт анод лампы, подобно автомобильному двигателю, приходится охлаждать проточной водой. Задача эта осложнена тем, что на анод подается высокое, в несколько тысяч вольт, напряжение.

Одна из самых мощных в мире - советская лампа, на выходе (т. е. в анодной цепи) которой можно получать сигналы до нескольких сот киловатт. Она сделана разборной, чтобы при повреждении какой-нибудь детали, например катода или сетки, заменить только их, а не выбрасывать всю лампу. Во время работы к лампе все время подключён вакуумный насос. Он непрерывно откачивает воздух.

Специальные электровакуумные приборы приходится строить не только для больших мощностей, но и для очень быстро меняющихся сигналов, например для усиления переменных токов сверхвысокой частоты (СВЧ). Это клистрон, лампа «бегущей волны», магнетрон, триод с дисковыми выводами и т. д. Об их устройстве мы здесь не будем рассказывать. С ними вы можете познакомиться в специальной литературе.

Газонаполненные приборы

Наряду с вакуумными весьма широко, особенно в промышленной электронике, применяются различные газонаполненные приборы. В подавляющем большинстве они пригодны лишь для медленных сигналов, но зато позволяют легко оперировать токами большой мощности. Во время работы газонаполненный прибор узнать довольно просто - при прохождении тока через ионизированный газ (обычно это пары ртути или инертные газы) в нем возникает довольно яркое синеватое свечение. Если

Газонаполненные приборы: а - газотрон; б - тиратрон.

же подобное свечение появится в обычной электронной лампе, то, значит, она «больна», хотя иногда еще продолжает работать.

В электронной аппаратуре часто можно встретить газонаполненные диоды - газотроны и триоды - тиратроны небольшой и средней мощности. Тиратроны могут усиливать далеко не все виды сигналов и поэтому редко конкурируют с вакуумными лампами. Часто их используют в роли электронных реле и выпрямителей. Сравнительно недавно появились и начинают применяться в аппаратуре маленькие и экономичные тиратроны с «холодным катодом», т. е. без нити накала.

В энергетике, в частности для питания электрического транспорта, применяют большие и мощные газонаполненные приборы. В их числе ртутные выпрямители - диоды, которые дают ток в сотни ампер. Работают они с очень высоким к. п. д.- потери энергии не превышают нескольких процентов.

Транзисторы

Вакуумные и газонаполненные выпрямители первыми из электронных приборов почувствовали появление мощного конкурента - полупроводников. Уже через два года после изобретения электронной лампы, в 1906 г., появились первые кристаллические детекторы - некоторое подобие полупроводниковых диодов. Еще через 12 лет были созданы селеновые и купроксные (меднозакисные) вентили, в которых односторонней проводимостью обладает пограничный слой, контакт между металлом и полупроводником (селен, закись меди). Селеновые вентили и сейчас

широко применяются в различных областях техники. Правда, каждый из них выпрямляет напряжение не больше 20-50 в, но это не беда. Там, где нужно выпрямить большее напряжение, селеновые вентили соединяют последовательно, собирают из них многоэлементные столбики. В приемниках и телевизорах, например, используются селеновые столбики, запрессованные в пластмассу.

Самые распространенные сейчас вентили - это германиевые и кремниевые диоды. Основа такого диода - кристалл полупроводника, в котором имеются две зоны, две примыкающие друг к другу области - одна с положительными (зона р - от слова «позитив», что значит «положительный») и другая с отрицательными (зона n - от слова «негатив», что значит «отрицательный») свободными зарядами. Эти зоны создаются путем добавления в кристалл специальных примесей, причем в ничтожных количествах - буквально один атом на десять миллиардов. Область, где граничат зона р и зона n, называется pn -переходом.

Зону р можно сравнить с анодом обычного вакуумного диода: если подать на нее «плюс», то в цепи полупроводникового диода пойдет ток, а на границе между зонами будет происходить обмен зарядов. Если же подать «плюс» на зону n (она, так же как и катод, источник свободных электронов), то свободные заряды оттянутся от pn -перехода и тока в цепи не будет. Так выглядит (конечно, весьма упрощенно) механизм односторонней проводимости полупроводникового диода.

Первые удачные опыты с кристаллическими усилителями были проведены в начале 30-х

Полупроводниковый диод так же, как и вакуумный, пропускает ток только в одном направлении - а и б. Точечный диод в. Плоскостной диод г, 1 - зона n; 2 -: зона р; 3 - pn -переход; 4 - игла; 5 - выводы; 6 - корпус.

Транзисторный усилитель: а-с транзистором n - p - n ; б - с транзистором p - n - p. 1 - эмиттер; 2 - база; 3 - коллектор; 4 - корпус; 5 - выводы; 6 - изолятор; 7 - коллекторная батарея.

годов советским инженером О. Лосевым. С 1948 г. широкое применение начали приобретать полупроводниковые триоды - транзисторы. Транзистор в какой-то степени напоминает вакуумный триод. В нем также имеются три главные детали - три зоны полупроводника с различной проводимостью. В зависимости от комбинации этих зон различают транзисторы типа p - n - p (их подавляющее большинство) и n - p - n . Средняя зона называется базой или основанием. Ее обычно сравнивают с управляющей сеткой лампы. К базе примыкают две другие зоны транзистора. Одна из них - эмиттер - в какой-то степени напоминает катод, другая - коллектор - выполняет те же функции, что и анод лампы.

Рассмотрим для примера транзистор типа p - n - p . Это фактически два диода с общей зоной n (база). Один из диодов, участок эмиттер - база,- это вход триода. Сюда подается сигнал, который нужно усилить. Под действием входного сигнала свободные положительные заряды попадают из эмиттера в базу, проходят сквозь нее (это называется диффузией зарядов) и становятся достоянием второго диода - участка база - коллектор. На коллектор подается «минус», который с силой «тянет» к себе положительные заряды и создает коллекторный ток. Это копия анодного тока. Но поскольку выходной (коллекторный) ток получает энергию от коллекторной батареи, она разгоняет свободные заряды, дает им возможность преодолевать большие сопротивления, выделять большую мощность - эта копия получается мощной, усиленной. Таким образом, в транзисторе

происходит усиление сигнала, и выходной ток может преодолевать значительно большие сопротивления, выполнять значительно большую работу, чем входной. Об этом говорит и само слово «транзистор»: оно составлено из двух слов - «трансформатор» (преобразователь) и «резистенс» (сопротивление).

Подобным же образом работает триод типа n - p - n, только здесь эмиттер выбрасывает не положительные заряды, а свободные электроны и на коллектор (совсем уже как в лампе!) подается «плюс». Транзисторы работают при очень небольших напряжениях на коллекторе - от долей вольта до нескольких вольт (в лампе на аноде десятки вольт). Накальная батарея им совсем не нужна. В переносной аппаратуре, например в портативных приемниках, это дает огромный выигрыш габаритов и веса, и поэтому здесь транзисторы почти полностью вытеснили электронные лампы.

Первые плоскостные транзисторы могли усиливать лишь сравнительно медленные сигналы, так как полупроводниковые детали не удавалось делать достаточно тонкими. Заряды слишком долго пробирались сквозь базу, и на высоких частотах коллекторный ток сильно отставал от входного сигнала. Современная технология позволяет делать эмиттер и базу очень тонкими: эмиттер толщиной до 3 мк, а базу - до 1 мк. Подобные транзисторы могут усиливать переменные токи очень высокой частоты, вплоть до нескольких тысяч мегагерц, и практически уже догнали электронные лампы. Хуже обстоит дело с мощностью: пока на выходе транзистора не удается получить больше нескольких десятков ватт. Лишь некоторые ключевые триоды - своего рода полупровод-

никовые тиратроны - дают на выходе до 10 квт. В самое последнее время созданы очень мощные кремниевые диоды, способные выпрямлять ток вплоть до нескольких тысяч ампер. Кто знает, может быть, через них лежит путь к транзистору, который будет конкурировать с самыми мощными электронными лампами.

Электронных приборов сейчас так много, что простое перечисление их главных типов, главных разновидностей заняло бы несколько страниц. И нужно сказать, что количество этих

приборов все время растет, появляются все новые и новые образцы. Так, например, совсем недавно был создан туннельный диод, который не только выпрямляет, но и усиливает, переменный ток; причем работает он на очень высоких частотах. Создаются хемотроны, где управление потоком зарядов осуществляется в жидкости. Специально для вычислительной техники сконструированы запоминающие электронные приборы, по своему устройству похожие на электроннолучевые трубки.

ЭЛЕМЕНТЫ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Подобно тому как самые различные здания сейчас строят из нескольких основных типов панелей и блоков (см. статьи раздела «Строительство»), разные радиоэлектронные аппараты собираются из некоторого набора стандартных узлов и деталей.

В этом случае главные «строительные блоки» - это почти всегда электронные приборы, например лампы, а самая массовая деталь - сопротивление. Его главная задача (об этом говорит само название) - оказывать сопротивление переменному току, поглощать излишки энергии, устанавливать заданные режимы. Наряду с постоянными имеются и переменные сопротивления, величину которых можно плавно изменять.

Вообще же в электронной аппаратуре встречаются сопротивления самой различной величины - доли ома, десятки килоом (1 ком= 1000 ом) и даже сотни тысяч мегом (1 Мом= 1 млн.ом). Сопротивления (сокращенно обозначаются буквой R) могут быть рассчитаны на разные мощности - от долей ватта до нескольких десятков ватт.

Распространенная деталь - конденсатор (сокращенно обозначается буквой С). Он выполняет различные функции, например накапливает электрические заряды, разделяет постоянную и переменную составляющие сложного тока (постоянная составляющая не проходит через конденсатор, а переменная проходит). Главные детали конденсатора - металлические пластины или комплект пластин, между которыми расположен тонкий слой изолятора. Пластины (на них и происходит накопление зарядов) делают в виде дисков, цилиндров или длинных, свернутых в спираль полос фольги.

О способности конденсатора накапливать заряды говорит его электрическая емкость, измеряемая в фарадах. Фарада - величина чрезвычайно большая и на практике не встречается никогда. Распространенные типы конденсаторов имеют емкость от нескольких пикофарад (триллионная доля фарады; 1 пф =10^-12 ф) до нескольких сотен микрофарад (миллионная доля фарады; 1 мкф=10 ^-6 ф =10⁶ пф). Большую емкость имеют электролитические конденсаторы, где накопление зарядов происходит в результате сложных физико-химических процессов. В ряде случаев применяют конденсаторы переменной емкости, с подвижными пластинами.

В отличие от конденсатора катушка индуктивности (самоиндукции), которую для простоты обычно называют просто катушкой (L), легко пропускает постоянный ток и сказывает сопротивление переменному.

Фильтры для разделения пульсирующего тока на постоянную и переменную составляющие: а - фильтр RC ; б - фильтр RL. 1 - пульсирующий ток; 2 - постоянная составляющая; 3 - переменная составляющая.

Если по проводнику катушки пропустить ток, то вокруг нее (так же, впрочем, как и вокруг любого другого проводника с током) возникает магнитное поле. Способность катушки создавать поле характеризуется индуктивностью (коэффициент самоиндукции), единицей измерения которой служит генри (гн). Чем больше витков содержит катушка, тем больше ее индуктивность. Можно увеличить индуктивность, если вставить в катушку сердечник из вещества с содержанием железа или его соединений. Сердечники катушек, по которым проходит постоянный или низкочастотный переменный ток, собирают из тонких стальных пластин. Для высокочастотных катушек сердечники делают из различных прессованных порошков. В последнее время особенно распространены прессованные ферритовые сердечники. Для того чтобы плавно менять индуктивность катушки, в нее вставляют передвижной сердечник. Катушку, которую нужно уберечь от внешних электрических или магнитных полей, помещают в металлический, обычно алюминиевый, кожух - экран. С той же целью помещают в экран провода, а иногда и целые блоки аппаратуры.

Комбинируя различным образом сопротивления, конденсаторы и катушки, создают различные фильтры - электрические цепи, которые могут разделять сложный ток на составляющие. Эта «способность» фильтров основана на том, что конденсатор и катушка по-разному пропускают синусоидальные составляющие разных частот: с увеличением частоты сопротивление конденсатора уменьшается, а сопротивление катушки увеличивается.

Своего рода фильтр и колебательный контур. Это объединение конденсатора и катушки. Введем в контур порцию энергии - зарядим для этого конденсатор. В контуре появится переменный ток, частота которого зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора. Если же подвести к контуру переменные токи различных частот, он «выберет» только ту составляющую, частота которой равна (или очень близка) частоте собственных колебаний. «Избранная» составляющая, действуя «в такт» с собственными колебаниями контура, усиливает их. Это явление - его называют резонансом - напоминает увеличение размаха маятника, если его подталкивать в такт.

Колебательный контур - это не только фильтр для выделения сигналов определенной частоты. Контур может и сам служить источником сигнала - генератором переменного тока. Правда, у контура-генератора есть серьезный недостаток: электромагнитные колебания в нем довольно быстро затухают, так как энергия расходуется на преодоление разного рода сопротивлений, например сопротивления проводов катушки. Нечто подобное происходит и в маятнике, колебания которого затухают по мере того, как энергия расходуется на трение.

С увеличением индуктивности и емкости колебательного контура частота собственных колебаний уменьшается.

Генератор незатухающих колебаний можно построить, если объединить контур с усилительной лампой или транзистором. Подключим контур к управляющей сетке лампы, а в ее анодную цепь включим катушку обратной связи, расположенную вблизи контурной катушки. Как только в контуре возникнут собственные колебания, в анодной цепи появится их «мощная копия». Через катушку обратной связи «мощная копия» передаст часть своей энергии обратно в контур и таким образом скомпенсирует потери в нем. Колебания станут незатухающими. Разумеется, все это произойдет лишь в том случае, если обратная связь будет положительной, если энергия, которая попадет в контур из анодной цепи, будет поддерживать собственные колебания, действовать в такт с ними.

Источником энергии для создания переменного тока является анодная батарея. Контур совместно с лампой лишь позволяет преобразовать эту энергию и получить переменный ток. Очень важно, что частоту переменного тока легко изменять, подбирая соответствующим образом емкость конденсатора и индуктивность катушки. Чем меньше емкость и индуктивность, тем выше частота. Наряду с колебательными контурами в ламповых или транзисторных генераторах используют цепочки из конденсаторов и сопротивлений.

Один из самых распространенных элементов радиоэлектронной аппаратуры - это лампо-

С помощью колебательного контура можно выделить сигнал определенной частоты.

В колебательном контуре (а) электромагнитные колебания постепенно затухают. А рядом (6) - ламповый генератор незатухающих колебаний. L_к и C_к -катушка и конденсатор контура; L_ос - катушка обратной связи; Б_н - батарея накала; Б_а - анодная батарея.

Выпрямитель (а): 1 - переменное напряжение; 2 - выпрямленное напряжение; Д₁ - плоскостной диод; R₁ С₁ С₂ - фильтр. Детектор (6): 3 - модулированное напряжение; 4 - низкочастотный сигнал; Д₂ - точечный диод; R₄ R₅ R₆ С₃ С₄ - фильтр.

вые или транзисторные усилители. Существует огромное множество усилительных схем, но их можно разделить на несколько основных групп: усилители высокой частоты, низкой частоты, импульсные усилители, усилители напряжения, мощности, тока, усилители с обратной связью и др.

Лампа или транзистор вместе со всеми относящимися к ним деталями образуют усилительный каскад. Там, где не справляется один каскад, применяют многокаскадные усилители и сигнал последовательно передают с одного каскада на другой. Наряду с лампой или транзистором обязательный элемент усилительного каскада - нагрузка, в которой используется энергия усиленного сигнала. В усилителе низкой частоты нагрузкой может быть громкоговоритель (подключается к лампе через трансформатор), в усилителе высокой частоты - колебательный контур. Очень часто роль нагрузки выполняет сопротивление. Нагрузку обычно включают в анодную цепь лампы или в коллекторную цепь транзистора.

Для питания электронных приборов необходимо постоянное напряжение - в лампах оно подается на анод, в транзисторах - на коллектор. Если аппаратура питается от сети переменного тока, то постоянное напряжение получают с помощью полупроводникового диода, кенотрона или другого выпрямителя, который превращает переменный ток в пульсирующий. Затем следует фильтр. Он «отбрасывает» переменные составляющие. Теперь остается необходимое для питания анодных или коллекторных цепей «чистое» постоянное напряжение.

Очень похож на выпрямитель другой распространенный каскад - детектор. Здесь также есть выпрямитель, который превращает модулированный переменный ток в пульсирующий. Из него фильтр детектора выделяет только составляющую низкой частоты, т. е. именно тот сигнал, который был «спрятан» в модулированном токе. Само слово «детектор» означает «обнаружитель» и происходит от того же корня, что и слово «детектив» (т. е. сыщик).

Многие основные детали и узлы электронной аппаратуры были созданы при разработке систем радиосвязи и ее могучих «ветвей» - многоканального телефона и телеграфа, телевидения, звукозаписи, радиолокации, телеуправления. На примере этих областей техники мы сейчас увидим, как из отдельных блоков создается сложная радиоэлектронная аппаратура, как она устроена, как работает, где и для чего применяется.

ПРОВОДНАЯ СВЯЗЬ

Все системы электросвязи обычно делят на две основные группы - проводные и беспроволочные, или, иначе, радио. Долгое время электроника применялась только в аппаратуре радиосвязи - оттуда она и начала свой путь в различные области техники. Сейчас электронная аппаратура очень широко используется и в проводной связи. Поэтому последнюю можно с полным правом считать одной из отраслей радиоэлектроники.

Проводная связь - один из основных видов электрической связи - существует более ста лет. Сейчас без нее нельзя представить себе современную жизнь. На всех континентах мира можно увидеть ровный ряд столбов с изоляторами и подвешенными на них проводами. Это воздушные линии связи. Многих линий связи не видно. Они проложены под землей или под водой, по дну рек, морей, океанов. Это подземные или подводные кабели. Под мостовыми и тротуарами городов в специальных трубопроводах проложены кабели городских телефонных сетей.

Как организована связь

Проводную связь организуют с таким расчетом, чтобы человек, где бы он ни находился, мог поговорить по телефону или передать телеграмму в любой другой район. Делается это так. В больших городах Советского Союза строят главные узлы связи (крупные телеграфы и междугородные телефонные станции). Они соединены с Москвой и друг с другом. С главными узлами связаны областные, с областными - районные и т. д. Если требуется, например, позвонить по телефону из одного областного центра в другой, а они не имеют прямой связи друг с другом, соединение осуществляется через главный узел.

При такой системе не нужно строить так много линий, как в том случае, если мы соединяли бы каждый город с каждым. Но и без этого хозяйство связи нашей страны огромно. Телеграфных и телефонных станций у нас тысячи; телеграфных аппаратов - десятки тысяч, а телефонных - миллионы. Кроме того, сложное оборудование и огромное линейное хозяйство - сотни тысяч километров воздушных линий связи и подземных кабельных магистралей. И все же бурно развивающемуся народному хозяйству

В. И. Ленин у телефона (рисунок худ. П. Васильева).

нашей страны средств связи не хватает. «Произойдет еще большее развитие всех средств связи (почта, радио, телевидение, телефон и телеграф). Все районы страны получат хорошую и устойчивую связь...» - записано в Программе КПСС.

Над выполнением этой задачи и трудятся советские связисты.

Что передается по проводам

Передать телеграмму с помощью электрического тока можно двумя способами. Первый - когда применяют специальную телеграфную азбуку - код (например, азбука Морзе) и, пользуясь ею, передают текст телеграммы. Условившись, что короткое включение электрической цепи (его обычно называют «точкой»)

обозначает букву Е, а более продолжительное («тире») - букву Т и т. д., можно передать любой текст.

При этом на принимающей станции якорь электромагнита аппарата притягивается к сердечникам или отходит от них. Эти колебания якоря записываются на движущейся бумажной ленте в виде точек и тире. Сейчас применяют телеграфные аппараты, печатающие уже не точки и тире, а сразу буквы. Такие буквопечатающие телеграфные аппараты работают на пятизначном коде. Каждому знаку по этому коду соответствует комбинация из пяти электрических импульсов двух видов, например положительных и отрицательных. Вместо отрицательных можно «передавать» паузы, которые в этом случае называют бестоковыми посылками. В передатчике каждая клавиша соответствует определенному знаку. При нажатии она перемещает пять стальных линеек. Сместившись влево, эти линейки освобождают контактные пружины и дают им возможность замкнуться (токовые посылки). Линейки, переместившиеся вправо, не дают замкнуться контактным пружинам (бестоковые посылки).

По такой схеме работает большинства фототелеграфных аппаратов.

В приемнике происходит обратное действие: комбинация электрических импульсов, воздействуя на электромагнитную систему, преобразуется в механическую комбинацию, т. е. в то или иное расположение линеек. После этого специальный механизм расшифровывает эту комбинацию и отпечатывает в виде знака на бумажной ленте.

Второй способ передачи телеграммы с помощью электрического тока - фототелеграфирование, передача изображения телеграмм, рукописного или машинописного текста, чертежа, фотографии и т.. д.

По этому способу телеграфирования текст телеграммы нужно сначала «разобрать» на части и преобразовать последовательно каждую часть в электрический ток, а затем на другой станции «собрать» в одно целое. Как же это сделать? Представьте себе, что вам нужно рассмотреть большую картину, но кругом темно, а в руках у вас только маленький электрический фонарик с узким лучом света. Направив фонарик на картину, вы сможете рассмотреть ее только по частям. Но если сфотографировать каждый такой участок, то потом из них можно сложить всю картину. Этот принцип и применен в фотографии.

В передающем фототелеграфном аппарате телеграмму закрепляют на вращающемся барабане и освещают узким - диаметром до 0,2 мм - пучком света, который последовательно «обходит» все изображение. Любое изображение состоит из большого числа светлых и темных точек (элементов). От светлых элементов луч отражается лучше, от темных - хуже, т. е. при прохождении луча по изображению яркость отраженного света все время изменяется. Отраженный луч попадает на фотоэлемент, который изменяет ток в цепи в зависимости от его яркости.

Больший ток в цепи фотоэлемента получается при отражении луча от «белого» поля, меньший - от «серого» и еще меньший - от «черного». Таким образом, полученный с фотоэлемента электрический сигнал - это серия различных по величине импульсов, каждый из которых соответствует определенной точке фототелеграммы. После усиления сигнал поступает в линию связи и по ней попадает на специальную осветительную лампу в приемном аппарате. В зависимости от величины тока, поступающего с линии, лампа в различной степени засвечивает фотобумагу. Остается эту бумагу проявить и перевести изображение в позитив. Для этого в приемном аппарате есть специальное устрой-

ство - фотолаборатория-автомат. Есть фототелеграфные аппараты, в которых изображения принимаются на электрохимическую бумагу. Такую фототелеграмму сразу же, без дополнительной обработки, можно вручать адресату. Есть аппараты, в которых специальное электромагнитное «перо» воспроизводит рисунок на обычной бумаге.

Для передачи речи и музыки звуковые колебания тоже преобразуют при помощи микрофона в электрические сигналы, которые и путешествуют по проводам. На приемном конце линии электрические колебания преобразуются телефоном в звуковые.

В телефонных аппаратах работают угольные микрофоны и электромагнитные телефоны. Звуковые волны заставляют колебаться мембрану микрофона, и она сжимаем угольный порошок, заключенный в металлический капсюль. Электрическое сопротивление порошка меняется, а следовательно, меняется и ток в цепи. На приемной стороне линии связи этот изменяющийся ток попадает в телефон, проходит по обмотке его электромагнита, заставляет колебаться мембрану. Она-то и создает звуковые волны, «переводит» сигнал с электрического «языка» на звуковой.

Итак, мы убедились, что при любом виде проводной связи от передатчика к приемнику путешествуют только электрические сигналы.

Путь телеграммы

Многим из вас приходилось отправлять или получать телеграммы. Свыше двухсот миллионов телеграмм путешествует ежегодно по нашей стране! А знаете ли вы, что происходит с телеграммой потом, после того как вы передали ее приемщице?

Вот телеграмма на пюпитре телеграфного аппарата. Если это аппарат Морзе, то телеграфист передает ее, замыкая и размыкая цепь электрического тока с помощью телеграфного ключа. Но как бы быстро он ни работал, больше 15-20 телеграмм в час передать нельзя. Поэтому, несмотря на простоту устройства, аппарат Морзе стал редкостью.

На смену этому тихоходу пришли старт-стопные буквопечатающие аппараты типа пишущей машинки. Они в основном и действуют сейчас на телеграфных связях. Телеграммы здесь принимают на бумажную ленту или на лист бумаги. Практически передать текст на них может любой грамотный

Стартстопный буквопечатающий телеграфный аппарат.

человек. Стартстопными эти аппараты называют потому, что для передачи одного знака, одной буквы их передатчики и приемники пускают в ход (старт) и после передачи пяти импульсов останавливают (стоп).

Но вот телеграмма передана на другую станцию. Конечно, путь ее не всегда прямой: ведь если нет непосредственной связи, то телеграмма пройдет через одну или несколько промежуточных станций. Однако для электрического тока практически «все равно», пройти 100, 200, 1000 или 20 000 км. Разница во времени составит сотые доли секунды. В действительности же путешествие телеграммы может длиться намного дольше. Задержка обычно происходит потому, что на каждой промежуточной станции телеграмму надо принять и снова передать дальше. При этом возможны и искажения текста.

Как же ускорить переприем и избежать возможных искажений?

Для этой цели в телеграфии, как и во всех областях техники, где требуется увеличение скорости, применили автомат. Он принимает электрические сигналы с одной станции и передает на другую. Обычно переприем производят на специальную бумажную ленту. Сигналы записывают в виде отверстий по заранее установленному коду, и получают перфорированную ленту, которую можно пропустить через быстродействующий передатчик - трансмиттер.

А можно вообще обойтись без переприема - организовать временную прямую связь между

какими-либо двумя пунктами. Если, например, телеграмма направляется из Ленинграда в Алма-Ату через Москву, то в Москве соединяют линию, идущую к Ленинграду, с линией, идущей к Алма-Ате, и телеграфисты этих городов работают непосредственно друг с другом.

«Фабрика разговоров»

«Фабрикой разговоров» называют телефонную станцию. В каждом городе есть одна или несколько таких станций. У некоторых телефонных аппаратов, чтобы вызвать станцию, надо вращать рукоятку. Это аппараты с индукторным вызовом и местной батареей - МБ. У других достаточно снять трубку с рычага,

Принцип работы искателя автоматической телефонной станции.

и телефонистка дает ответ. Это телефонный аппарат системы ЦБ - центральной батареи, которая установлена на станции. И наконец, на аппарате третьего типа надо снять трубку, дождаться гудка и набрать нужный номер. Это телефонный аппарат автоматических телефонных станций (АТС).

От каждого аппарата к телефонной станции идет двухпроводная линия связи. Обычно она находится в подземном кабеле. От станции в отдельные районы города прокладывают кабели большой емкости. Затем они разветвляются на более мелкие, которые подводят к определенным кварталам, и еще более мелкие - к отдельным домам. Здесь кабели разделяются на однопарные, каждый из которых идет к одному телефонному аппарату.

Наибольшее значение имеют сейчас АТС. Но принцип работы и задача всех телефонных

станций одна - напрямик соединять аппараты абонентов. Поэтому мы рассмотрим общую схему работы телефонной станции на наиболее простом примере - на примере ручной телефонной станции. Основное устройство такой станции - коммутатор, куда включаются линии абонентов. Коммутаторов на станции может быть несколько десятков, так как каждый из них обслуживает не более 100-120 линий. За каждым работает одна телефонистка. Коммутатор напоминает шкаф, на передней стенке которого расположены гнезда, похожие на обычные штепсельные розетки. К такому гнезду подключена линия абонента, причем на каждом коммутаторе имеются гнезда всех абонентов.

В нижней части находятся гнезда «своих» абонентов, снабженные вызывными устройствами: электрическими лампами или клапанами. Если абонент вызывает станцию, загорается лампа или открывается дверца клапана. Заметив вызов, телефонистка с помощью гибких шнуров соединяет вызывавшего абонента с требуемым номером.

Более прогрессивно, как уже говорилось, устройство АТС. Число АТС увеличивается из года в год, вытесняя последние ручные станции. Основа автоматической телефонии - два электромагнитных устройства. Первое - это реле, представляющее собой электромагнит, якорь которого замыкает, размыкает или переключает контакты. Второе устройство - искатель. Это переключатель, приводимый в действие электромагнитом. Когда по обмотке электромагнита пройдет импульс тока, якорь искателя притянется и «собачка» повернет храповик на один зубец, а металлическая щетка перейдет на один контакт. Сколько импульсов вы подадите на искатель, столько контактов последовательно пройдет щетка. Конечно, искатели автоматических телефонных станций устроены значительно сложнее, но работают все они по такому принципу.

Абонент замыкает электрическую цепь не ключом, а посредством номеронабирателя. Вращая диск, вы посылаете в линию то или иное число импульсов тока. Что происходит при этом на станции? В зависимости от количества абонентов станции номер может быть одно-, двух-, трех-, четырех-, пяти-, шести- и семизначным.

Набрав букву, абонент попадает на районную станцию. Набирая следующие цифры, он заставляет работать ряд реле и искателей. Первый искатель найдет группу абонентов, состоящую, например, из тысячи, в которой нахо-

дится требуемый абонент, следующий - из ста и, наконец, последний искатель - линию вызываемого абонента.

Оборудование автоматической телефонной станции состоит из многих искателей и реле. Эти устройства нужны не только для соединения абонентов, но и для подачи сигналов, указывающих, что линия свободна. Они же посылают вызов абоненту и после окончания разговора приводят все механизмы в прежнее положение. Эти приборы очень точны, не требуют постоянного наблюдения и могут месяцами работать без проверки.

Дальняя связь

По мере своего движения по проводам электрический сигнал теряет энергию, или, как говорят, затухает. Чтобы восполнить потери, нужно добавлять к сигналу энергию из специальных источников. Усиление сигнала осуществляют транзисторные и ламповые усилители. С появлением электронной лампы в технике связи произошел настоящий переворот. Теперь стало возможным телефонировать на любые расстояния. Миллионы электронных ламп работают в аппаратуре дальней связи.

Впервые телефонный усилитель на электронных лампах был создан русским ученым В. И. Коваленковым в 1915г. Практически его применили только в 1922 г. по указанию В. И. Ленина на линии связи Москва, Кремль - Петроград, Смольный.

На высокой частоте

Строительство линий связи не простое дело. Оно требует огромных материальных затрат и труда. Для постройки 1 тыс.км двухпроводной воздушной линии связи требуется несколько сот вагонов различных материалов. Чтобы проложить 1 тыс.км подземного кабеля, необходимо перевезти несколько десятков тысяч тонн различных грузов и выполнить свыше 1 млн.м³ земляных работ. Можно себе представить, как вырастают эти объемы в масштабе всей нашей страны! Не случайно поэтому именно советские ученые одними из первых разрешили задачу уплотнения линий связи, осуществили одновременную передачу нескольких телефонных разговоров и телеграмм по одной линии.

По «уплотненной» линии циркулируют несущие токи высокой частоты. На передающей

Такие автоматически действующие усилительные пункты устанавливают на кабельных магистралях. На поверхности земли виден только люк.

стороне их модулируют, а на приемной разделяют с помощью фильтров и демодулируют.

В простейшем случае модуляцию можно осуществить так. Высокочастотный ток из лампового генератора поступает в угольный микрофон. Под действием звуковых волн угольный порошок сжимается, это меняет сопротивление микрофона, и на его выходе получается модулированный (по амплитуде) ток.

Для демодулирования можно применить ламповый или полупроводниковый диод с фильтром. Диод превратит переменный ток в пульсирующий, а фильтр «отбросит» все его составляющие, кроме одной - низкочастотного тока. Он и является «электрической копией» произнесенного звука. А конечный пункт для тока низкой частоты - это телефон, который превращает электрические колебания в звуковые.

Для каждого телефонного канала в линии отводится «полоса» частот шириной 4 тыс.гц : для одного канала - от 12 до 16 тыс.гц, для другого - от 16 до 20 тыс.гц и т. д. В каждой «телефонной» полосе частот можно разместить 16-18 телеграфных связей, так как один телеграфный канал занимает полосу шириной всего 25-30 гц. Несущими для телеграфных сигналов будут токи звуковых частот, а для них в свою очередь несущими являются токи высокой частоты. Такая система уплотнения линии связи называется вторичным уплотнением цепей.

Сколько же всего каналов можно «втиснуть» в одну линию? Для разных линий по-разному- это зависит от максимальной частоты, которую

Внешний вид комплекса аппаратуры высокочастотного телефонирования.

может передать данный тип линии связи. Естественно, чем выше эта частота, тем больше каналов вместит линия.

Современная аппаратура высокочастотного телефонирования позволяет по одной двухпроводной воздушной линии из цветного металла проводить 16 одновременных телефонных разговоров или 288 телеграфных связей. При этом вместо каждого телефонного разговора можно осуществить одну фототелеграфную связь, а вместо каждых двух - передачу радиопрограммы.

Емкость обычных кабельных линий значительно больше - здесь можно разместить до 60 телефонных каналов или около 1000 телеграфных. Очень велика емкость так называемого коаксиального кабеля. Он вмещает более 1000 телефонных или 16 тыс. телеграфных каналов.

Завтрашний день проводной связи

Есть ли будущее у проводной связи? Не «умрет» ли она с развитием радио- и радиорелейной связи? Уверенно можно сказать: нет! Развиваясь на базе радиотехнических методов, проводная связь гармонически дополняет радиосвязь. В некоторых отношениях она имеет преимущества, в особенности при связи по кабелям. Это - устойчивость, отсутствие атмосферных помех, неограниченная возможность уплотнения.

Можно ожидать, что воздушные линии связи будут постепенно уступать место подземным. Между городами будут проложены кабельные магистрали, обеспечивающие сотни телефонных и телеграфных связей. Связь полностью автоматизируется. Из любого города любой другой город можно будет вызвать, набрав его условный номер на аппарате.

Конструкторы в Советском Союзе и в других странах уже работают над созданием электронно-механических и электронных АТС. В таких АТС электромагнитные реле, искатели и другие приборы полностью или частично заменены электронными лампами и различными полупроводниковыми приборами. Долгий срок службы, отсутствие необходимости механических регулировок, малые размеры - вот преимущества таких устройств.

Фототелеграфную связь получат все крупные города. Начнется передача цветных изображений. Скорость передачи телеграмм всех видов значительно возрастет. Несколько лет назад

Видеотелефонная связь соединяет уже ряд городов СССР.

в наших городах появились первые вндеотелефоны. Жители ряда городов страны уже сейчас, разговаривая по телефону со своими знакомыми в других городах со специальных переговорных пунктов, могут видеть своих собеседников на экранах телевизоров.

Сложные электронное приборы обеспечат контроль за состоянием линий и качеством связи. Большинство усилительных пунктов будет управляться автоматически, на расстоянии. Такие усилительные пункты уже действуют на кабельных магистралях.

РАДИОСВЯЗЬ И РАДИОВЕЩАНИЕ

Как ни совершенны современные системы проводной связи, они часто оказываются непригодными. Например, когда нужно передать сообщение с борта космического корабля, самолета или обычного теплохода, который находится вдали от берегов. Для связи с подвижными объектами нужен свободный, не прикованный к проводам переносчик сигнала. Лучше всего с этой ролью справляются электромагнитные волны.

Радиопередача и радиоприем

Днем рождения радиосвязи, а вместе с ней всей радиоэлектроники считают 7 мая 1895 г. В этот день русский ученый А. С. Попов на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге продемонстрировал свое изобретение - первый в мире радиоприемник. 7 мая в нашей стране ежегодно отмечается как День радио.

Упрощенные схемы радиовещания: а - без проводов; б - по проводам.

Когда электромагнитная волна, распространяющаяся от передатчика со скоростью 300 тыс.км/сек, встречает на своем пути проводник - сразу же назовем его приемной антенной,- она наводит в этом проводнике переменный ток той же формы и той же частоты, что и в передающей антенне. Таким образом электромагнитные волны переносят электрический сигнал от передатчика к приемнику и образуют беспроволочную линию связи.

С помощью обычных переменных токов разных частот можно создать электромагнитные волны длиной от многих километров до нескольких миллиметров. Весь этот огромный участок спектра электромагнитных колебаний называют радиоволнами, а их в свою очередь разделяют на сверхдлинные, длинные, средние, короткие, ультракороткие (метровые), дециметровые, сантиметровые и миллиметровые.

В первых передатчиках источником высокочастотного тока была искра, а сигналы передавались с помощью азбуки Морзе. Телеграфным ключом просто замыкали цепь антенны, создавали импульсы тока - «точки» и «тире». В виде таких же «точек» и «тире» излучались радиоволны и появлялись импульсы тока в приемной антенне. Отсюда сигнал поступал на детектор, а затем на обычный телеграфный аппарат. В 1913 г. появился ламповый генератор, а еще через несколько лет ламповые передатчики вытеснили все другие - искровые, дуговые и машинные.

Современный передатчик, как правило, содержит большое число блоков. Первый блок - это всегда генератор высокочастотного тока, все остальные - усилители. Мощность излучаемых радиоволн тем больше, чем мощнее высокочастотный ток в передающей антенне. Есть огромные передающие центры, где на общую антенну «работает» несколько передатчиков. Излучаемая ими мощность достигает многих тысяч киловатт. Мощные радиоцентры в основном строят для радиовещания, и их программы принимают миллионы радиослушателей, используя для этого простые приемники. Мощ-

ность самолетных, корабельных, переносных передатчиков радиосвязи обычно невелика - от долей ватта до нескольких киловатт. Зато приемники для радиосвязи используют очень чувствительные, с точной системой настройки на нужную станцию.

Длинные, средние, короткие и ультракороткие волны

Радиус действия радиостанции зависит не только от ее мощности, но еще и от длины волны. Многие из вас наверняка видели, как морские волны легко перекатываются через прибрежные камни, но не могут обогнуть большую скалу - за скалой образуется своеобразная «тень», там волн практически нет. Для длинных радиоволн Земля - это небольшой «камушек», и они сравнительно легко огибают земную поверхность. Сигналы достаточно мощных длинноволновых станций можно принимать на другом конце земного шара. Еще каких-нибудь 40 лет назад все дальние линии радиосвязи, например линия Москва - Нью-Йорк, работали на длинных и сверхдлинных волнах. А вот для средних, коротких и особенно ультракоротких радиоволн Земля слишком большое препятствие. Эти волны почти не огибают земной поверхности и практически не уходят за линию горизонта. И все же, несмотря на это, средние, а особенно короткие полны - это диапазоны дальнего действия.

Можно ли карманным фонариком осветить участок земли, расположенный за высоким каменным забором? Можно, и причем двумя способами. Во-первых, достаточно каким-то образом поднять фонарик над забором. Во-вторых, вместо фонарика можно поднять зеркало и направить на него луч света так, чтобы он «рикошетом» перепрыгнул через забор. Подобным же образом на коротких и средних волнах огромные расстояния перекрывают отраженным радиолучом, используя зеркало, которое «повесила» над Землей сама природа. Это зеркало - расположенные на высоте от 50 до 500 км слои ионизированных газов, так называемая ионосфера.

Ионизированный газ - проводник тока, и ионосфера, подобно металлическим листам, отражает радиоволны. Правда, свойства ионосферы не всегда и не для всех длин волн одинаковы. Средние волны отражаются только ночью, и дальние средневолновые станции днем не слышны. В разное время года и в разное время

суток по-разному проходят короткие волны. УКВ практически не отражаются вообще.

Подавляющее большинство коротковолновых станций работает отраженным лучом, перекрывая расстояния в сотни, тысячи и десятки тысяч километров. На коротких волнах поддерживают связь с Москвой зимовщики Арктики и Антарктиды, коротковолновые станции установлены на всех кораблях дальнего плавания и самолетах. Многие тысячи радиолюбителей протягивают невидимые коротковолновые «нити» между далекими странами и континентами.

Радиоприемник, радиола, магнитофон

Самый распространенный радиоаппарат - это, несомненно, радиовещательный приемник. Трудно найти человека, который не видел бы его, не умел бы с ним обращаться. Но приемник совсем не так прост, как это может показаться с первого взгляда. В нем работает большое число сложных и совершенных радиоэлектронных блоков.

В общих чертах все приемники устроены одинаково. Радиоволны наводят в приемной антенне высокочастотные токи, и они прежде

Радиоволны различной длины распространяются по-разному: 1 - земной луч; 2 - отраженный луч; 3 - ионосфера; ДВ- длинные волны; СВ - средние волны; KB - короткие волны; УКВ - ультракороткие волны.

всего попадают на фильтр - колебательный контур. Контур из всех переменных токов выбирает только один, частота которого совпадает с частотой собственных колебаний этого контура. Если нужно принять другую станцию, т. е. выделить переменный ток другой частоты, то для этого достаточно изменить собственную частоту контура (о настройке контура рассказано на стр. 157). Для резкого изменения частоты (переход с одного диапазона на другой) с помощью переключателя диапазонов вводят в действие ту или иную контурную катушку. Плавную перестройку контура (в пределах одного диапазона) производят с помощью конденсатора переменной емкости. Одна из самых важных характеристик приемника - избирательность- говорит о способности «коллектива» колебательных контуров выделять нужный сигнал и ослаблять все остальные.

Колебательные контуры обычно совмещают с ламповыми или транзисторными усилителями. Их задача - усилить слабый сигнал, сделать его пригодным для дальнейших преобразований. Способность приемника «вытягивать» слабые сигналы зависит от его чувствительности. Она, в свою очередь, определяется числом усилительных каскадов, а также типом ламп или транзисторов.

Обязательный элемент любого приемника - детектор. Здесь происходит преобразование высокочастотного сигнала, и на свет появляется

переменный ток низкой частоты. Но он еще очень слаб и едва мог бы «раскачать» мембрану телефона. Поэтому за детектором следует усилитель низкой частоты (НЧ) с мощным выходным каскадом, который через выходной трансформатор направляет низкочастотный ток в катушку громкоговорителя.

Низкочастотный тракт приемника - усилитель НЧ с громкоговорителями - используют для воспроизведения грамзаписей. Двигаясь по пластинке и следуя за всеми неровностями звуковой дорожки, звукосниматель, подобно микрофону, преобразует механические колебания в электрические. На выходе его появляется переменный ток низкой частоты - электрическая копия записанного звука. Этот переменный ток усиливается, а затем превращается в звук точно так же, как сигнал, полученный после детектора. Приемник, объединенный с электропроигрывателем, называют радиолой.

Несколько лет назад во всех проигрывателях и радиолах была только одна скорость вращения диска - 78 об/мин. В дальнейшем с появлением новых материалов для пластинок и улучшением аппаратуры звукозаписи оказалось возможным повысить точность нанесения звуковой дорожки, с особой тщательностью воспроизводить все ее изгибы. Это, в свою очередь, позволило сблизить дорожки и, что особо важно, сжать рисунок, уменьшить протяженность дорожки. Естественно, что по «сжатой» дорожке

Верность воспроизведения звука зависит от частотной характеристики низкочастотного тракта: а - «завал» высоких и подъем низких частот; б - «завал» низких и подъем высоких частот; в - идеальная характеристика.

Радиоприемник радиолы «Латвия» : 1 - магнитная антенна; 2 - переключатель диапазонов и контурные катушки; 3 - шкала настройки; 4 - фильтр выпрямителя; 5 - сетевой трансформатор и выпрямитель; 6 - усилитель низкой частоты; 7 - выходной трансформатор; 8 - детектор; 9 - колебательные контуры промежуточной частоты; 10 - лампа усилителя промежуточной частоты; 11 - преобразователь частоты; 12 - конденсатор настройки; 13 - блок УКВ.

игла движется медленнее, чем но обычной, а на пластинке умещается более длинная запись. Такие пластинки - их называют долгоиграющими - рассчитаны на одну из трех «медленных» скоростей - 45, 33 или 16 об/мин.

В последние годы большую популярность приобрели магнитофоны. Они записывают звук на магнитную пленку и воспроизводят запись. Все вы знаете, что, если пропустить по катушке электрический ток, вблизи нее появится магнитное поле. И если поднести к такой катушке железный предмет, то он намагнитится. А теперь представьте себе, что в катушку направили переменный ток от микрофона, а мимо нее непрерывно движется тонкая стальная лента. Если перед микрофоном звучит речь или музыка, ток в его цепи меняется, а вместе с ним меняется и магнитное поле катушки. В итоге па движущейся ленте остается магнитный «след», появляются по-разному намагниченные участки. Чем громче звук микрофона, тем сильнее ток в катушке, тем больше намагнитится участок стальной ленты.

Теперь посмотрим, как происходит обратный процесс - как считывается запись с магнитной ленты. Для этого нужно прежде всего

вспомнить, что такое электромагнитная индукция. Если изменять магнитное поле вблизи проводника (или катушки), то в этом проводнике наведется ток, который будет повторять все изменения магнитного поля. Это значит, что если равномерно протягивать вблизи катушки ленту с магнитной записью, то в цепи катушки появится переменный ток - копия записанного на этой ленте звука.

В современных магнитофонах используют не стальную ленту, а специальную ферромагнитную пленку. Иногда запись осуществляют и на тонкую стальную проволоку.

Пленка для магнитной записи, так же как и кинопленка, изготовлена из полимерных материалов, а с одной стороны на нее нанесен тончайший слой окислов железа. Именно этот слой намагничивается при записи, и пленка превращается в магнитную фонограмму.

Запись и воспроизведение звука осуществляют с помощью магнитных головок, расположенных на кольцеобразных сердечниках из специальных магнитных сплавов. В сердечнике имеется тонкая (в несколько микрон) щель, к которой плотно прилегает движущаяся пленка. В некоторых магнитофонах - три го-

ловки: записывающая, воспроизводящая и стирающая. Часто для записи и воспроизведения звука используют одну, универсальную головку. В большинстве магнитофонов запись и стирание записи, т. е. размагничивание пленки, осуществляют переменным током с «неслышимой» частотой 25-50 кгц.

Еще не так давно, чтобы получить магнитную запись высокого качества, в частности для того чтобы записывать высшие звуковые частоты, приходилось протягивать пленку с довольно большой скоростью - около 76 см/сек. Сейчас благодаря улучшению свойств пленки и конструкции головок получают достаточно высокое качество при значительно меньших скоростях - 19,5 и даже 9,5 см/сек.

Перематывают пленку со значительно большей скоростью.

Одна из важнейших характеристик всякого приемника, радиолы или магнитофона - это полоса воспроизводимых частот. В приемниках высокого класса, где работает несколько «разноголосых» громкоговорителей, полоса частот очень широка - она легко вмещает весь диапазон симфонического оркестра: от 30 гц до 12-15 кгц. В средних приемниках полоса заметно уже, а в карманных совсем узкая - от маленького громкоговорителя трудно ждать высокого качества звучания. Правда, и в хорошем приемнике в ряде случаев (например, при приеме далекой станции или проигрывании шипящей пластинки) приходится с помощью регуляторов тембра искусственно сужать полосу частот для того, чтобы «срезать» мешающие звуки.

Приемники прямого усиления, где сигнал проходит прямой путь антенна - усилитель ВЧ- детектор - усилитель НЧ - громкоговоритель (телефон), встречаются сейчас сравнительно редко. Уже давно основным типом радиоприемного устройства стал супергетеродин. Здесь высокочастотные токи для начала «стригут под одну гребенку» - направляют их в специальный преобразовательный каскад, откуда любой принятый сигнал независимо от его «прошлого» выходит, имея стандартную промежуточную частоту. Настройка на станцию сводится к тому, что с помощью вспомогательного генератора - гетеродина промежуточную частоту получают из сигнала то одной, то другой, то третьей станции. В дальнейшем сигнал промежуточной частоты детектируют самым обычным способом - он модулирован точно так же, как и высокочастотный ток на входе приемника.

Высокое качество звучания дают передачи с частотной модуляцией сигнала. С каждым годом они пользуются все большей популярностью. Однако сигнал, модулированный по частоте, занимает очень широкую полосу частот - 250 кгц вместо обычных 10 кгц. Из-за «тесноты в эфире» его можно без ущерба разместить только на ультракоротких волнах.

Во многих современных приемниках имеется специальный блок для приема радиостанций УКВ ЧМ, т. е. работающих в диапазоне ультракоротких волн с частотной модуляцией.

Вращая ручку настройки приемника, вы, очевидно, обратили внимание, что на средних волнах работает намного меньше станций, чем

ЭЛЕКТРОННЫЙ «БИБЛИОГРАФ»

Многие ученые, инженеры, рабочие-новаторы считают, что удобнее и быстрее самим провести дешевый опыт или исследование, чем искать их описание в литературе. На нашей планете печатаются тысячи тысяч книг, статей, докладов по разным отраслям науки и техники. В неимоверно разросшихся каталогах библиотек все сложнее находить необходимую литературу. Перед читателями все явственней вырисовывается угроза «утонуть» в огромном океане печатной продукции. Но на помощь им уже приходит кибернетический электронный «библиограф».

Научные сотрудники Киевского университета и Украинского института кибернетики решили начать с малого. За год им удалось «научить» электронную вычислительную машину

«Киев» выполнять обязанности библиографа по литературе о радиоэлектронике и вычислительной технике. Машина оперировала только одной сотней названий.

Известно, что электронная машина «языков не знает». Она работает только с цифрами. Значит, надо перевести все слова на цифры. После этого уже легко перевести на код все необходимые термины, слова и названия книг. Такую закодированную информацию и закладывают в запоминающее устройство машины. Запросы тоже подаются в закодированном виде.

Уже первый опыт с машиной «Киев» дал удовлетворительный результат. «Киев» произвел анализ вопросов, сравнил его с содержанием вложенной в его «память» кодированной «библиотеки» и выдал ответы. Всего 10% их были неудачными.

Придет время - и в каждой крупной библиотеке появится свой электронный «библиограф». У него будет громадная «память».

- Мне нужна литература по такому-то вопросу,- скажет читатель.

И через несколько секунд он получит полный список книг, статей, рефератов на заданную тему.

Магнитофон: 1 - стирающая магнитная головка; 2 - подкассетник; 3 - магнитная головка записи и воспроизведения; 4 - индикатор уровня записи (лампа 6Е5С); 5 - ведущий вал; 6 - усилитель низкой частоты; 7 - маховик; 8 - прижимной ролик.

на коротких, а на длинных - совсем мало. Дело в том, что каждый передатчик излучает не одну частоту, а целую полосу, и поэтому несущие частоты нельзя сдвигать беспредельно. По международным соглашениям, между ними приходится соблюдать определенный интервал, как правило, 10 кгц. Общая полоса частот радиовещательного длинноволнового диапазона около 270 кгц (от 150 до 430 кгц), и поэтому здесь может работать, не мешая друг другу, всего 27 станций.

Емкость диапазона средних волн намного больше - около 100 станций, а на коротких волнах можно было бы разместить больше 2000 радиовещательных передатчиков. Отметим, что коротковолновый диапазон в основном используется для дальней радиосвязи, а вещательные станции занимают на нем лишь небольшие островки, в частности участки в районе волн длиной 25, 31 м и др.

Но больше всего свободной территории на ультракоротких волнах. Только в диапазоне метровых волн можно разместить почти в 10 раз больше станций, чем на длинных, средних и коротких волнах, вместе взятых, а емкость сантиметрового диапазона еще в 100 раз больше. Именно поэтому на УКВ можно передавать «громоздкие», занимающие очень широкую полосу частот сигналы, например УКВ ЧМ или телевизионный сигнал.

ТЕЛЕВИДЕНИЕ

Принципиально телевизионная передача не отличается от уже знакомого нам фототелеграфа (стр. 160). И в том и в другом случае участки «картинки», имеющие различную яркость, создают электрические сигналы разной силы, которые и передаются на большие расстояния.

В месте приема, наоборот, электрические сигналы создают светящиеся точки различной яркости и таким образом воспроизводят первоначальное изображение.

Основное различие между двумя системами электросвязи - фототелеграфом и телевиде-

нием - в скорости передачи. Фототелеграмму можно передавать сравнительно медленно, постепенно воспроизводя точку за точкой. Совсем другое дело в телевидении. Здесь нужно каждую секунду передавать 25 кадров, которые, так же как и в кино, позволят получить движущееся изображение. Такую высокую скорость передачи могут обеспечить только радиоэлектронные приборы. Изобретатель электронного телевидения - русский инженер Б. Л. Розинг. В 1907 г. он впервые предложил, а в 1911 г. практически осуществил электронную систему передачи изображений.

Говоря о телевидении и его значении, нужно помнить, что телевидение - это не только те передачи, которые мы смотрим у себя дома. В нашей стране выпускаются и широко используются различные типы промышленных телевизионных установок (ПТУ). Их применяют на заводах, на транспорте, в медицинских клиниках. В таких установках от передающей камеры к приемнику сигнал идет по кабелю. Камеры могут работать без оператора и благодаря этому помогают заглянуть на дно океана, контролировать работу цеха-автомата, показывать большой аудитории студентов-медиков редкую хирургическую операцию.

Превращение «картинки»

Путь телевизионного сигнала начинается с передающей камеры, оптическая часть которой напоминает обычный фотоаппарат. Только здесь объектив проецирует изображение не на фотопленку, а на светочувствительный фотокатод передающей трубки. Передающие трубки бывают разных типов, но мы рассмотрим лишь один из них - иконоскоп.

Фотокатод - это довольно большая (обычно размером с папиросную коробку) пластинка изолятора, на которую нанесено несколько миллионов крупинок светочувствительного вещества, например цезия. Каждая такая крупинка - это микроскопический фотоэлемент; под действием света в ней накапливаются электроны. Чем ярче свет, падающий на крупинку- фотоэлемент, тем больше ее электрический заряд. Таким образом, на фотокатоде появляется своеобразная электрическая «картинка», копия передаваемого изображения. Теперь нужно осуществить развертку этой «картинки», последовательно передать в линию сигналы с каждого ее элемента. Это осуществляется с помощью электронного луча.

В иконоскопе, как и в любой электронной лампе, есть еще и обычный катод, испускающий свободные электроны. Из них с помощью вспомогательных электродов - «электронной пушки» - формируется тонкий луч, направленный в сторону фотокатода. Специальная система отклонения позволяет перемещать электронный луч по «картинке».

Существуют два способа отклонения электронного луча - электростатический и магнитный. В первом случае внутри трубки располагают две пары металлических пластин. Меняя напряжение, подводимое к пластинам, можно перемещать луч вверх-вниз (вертикальное отклонение) и вправо-влево (горизонтальное отклонение). Электронный луч - это своего рода проводник с током, поэтому его можно отклонять также с помощью магнитных полей. В этом случае используются расположенные поверх трубки катушки горизонтального и вертикального отклонения, по которым пропускают ток. Имеется отдельная катушка для фокусировки луча. Горизонтальные линии, прочерченные электронным лучом, называют строками, а полностью заполненную строками «картинку» - кадром.

Попав в крупинки фотокатода, электронный луч выбивает из них лишние, появившиеся под действием света, электроны. Они сразу же устремляются к своеобразному аноду - металлическому кольцу, на которое подано положительное напряжение. По мере того как электронный луч движется по картинке, ток в цепи анода (кольца) повторяет все изменения яркости, поочередно «запоминает» все элементы картинки.

Диаметр электронного луча значительно больше фоточувствительных крупинок, и они целыми группами участвуют в формировании электрического сигнала. Отсюда ясно, что, чем

Принцип передачи и приема в телевидении. Слева, вверху - образец телевизионного кадра. Хорошо видно, что он состоит из большого числа отдельных элементов. Одна строка условно выделена, а под рисунком изображен график тока в передающей трубке при «считывании» этой строки. Вверху справа - графики и условные обозначения токов и напряжений в узлах телепередатчика и приемника: 1 - сигнала звукового сопровождения; 2 - видеосигнала, 3 - тока строчной развертки, 4 - синхронизирующих импульсов строчной развертки; 5 - тока кадровой развертки; 6 - синхронизирующих импульсов кадровой развертки; 7 - суммарного видеосигнала; 8 - высокочастотного модулированного сигнала звукового сопровождения; 9 - высокочастотного тока, модулированного видеосигналом; 10 - общего сигнала передатчиков изображения и звука. В середине - упрощенная схема передатчика (слева) и приемника (справа), изображающая пути различных сигналов. Внизу - принцип отклонения электронного луча в кинескопе с электростатической системой отклонения.

тоньше луч и чем больше строк он прочерчивает на фотокатоде, тем более точно будут передаваться мелкие детали изображения, тем выше его четкость. В советских телесистемах кадр состоит из 625 строк, т. е. почти из 500 тыс. отдельных элементов.

Итак, иконоскоп осуществил электрическую развертку изображения, записал его в виде пульсирующего тока сложной формы. Ну, а как произвести обратную операцию? Как превратить этот сложный ток в «картинку»? Здесь приходит на помощь приемная телевизионная трубка - кинескоп.

Приемная трубка очень похожа на передающую, только место фотокатода в ней занимает экран - нанесенный на стекло слой вещества, которое светится под действием электронной «бомбардировки». Электронный луч, попадая в какую-либо точку экрана, заставляет ее светиться, причем яркость свечения тем больше, чем сильнее ток луча.

Пилообразные импульсы строчной и кадровой развертки, быстро перемещая электронный луч, создают на экране растр - светящееся поле, состоящее из ярких строк. На этом растре можно получить нужную «картинку», если ток луча повторит здесь все изменения тока в передающей трубке. Для этого в кинескопе есть управляющая сетка, которая действует точно так же, как и в обычном триоде. Значительно труднее заставить оба электронных луча - в передающей и приемной трубках - двигаться синхронно и одновременно попадать в одну и ту же точку картинки. А ведь только при этом условии на экране кинескопа будет та же картинка, что и на фотокатоде иконоскопа.

Как в передающей трубке, так и в приемной развертка осуществляется двумя ламповыми генераторами. На передающей стороне в видеосигнал «замешивают» импульсы от генераторов развертки, а на приемной стороне с помощью фильтров выделяют эти синхронизирующие импульсы, и они «навязывают» свой ритм генераторам развертки приемника.

Телевизор

Видеосигнал, так же как и любой другой, можно передавать с помощью радиоволн. Принцип здесь такой же, как и в радиовещании: в передатчике высокочастотный ток модулируют видеосигналом, а в приемнике видеосигнал извлекают из высокочастотного тока с помощью детектора. Кроме передатчика изображения (его

часто называют видеопередатчиком), на телецентре есть еще и отдельный передатчик звукового сопровождения, работающий с частотной модуляцией.

Телевизионный приемник похож на обычный радиовещательный. Сигнал усиливают до детектора и после него. Отсев мешающих станций производят с помощью контуров промежуточной частоты. Высокую чувствительность обеспечивает большое число усилительных каскадов.

Но в то же время телевизор сильно отличается от приемника. Вместо плавной настройки здесь применяется фиксированная - переключение телевизионных каналов. В телевизоре имеются два тракта - изображения и звука. Некоторое время оба сигнала (видео- и звуковой) усиливаются одновременно, а затем их пути расходятся. После детектора сигнал изображения попадает на видеоусилитель, а с него - на сетку кинескопа. На анод кинескопа (его роль выполняет слой графита, покрывающий стекло изнутри) нужно подавать очень высокое напряжение - несколько тысяч вольт. Его получают из строчных импульсов - их напряжение повышают с помощью специального строчного трансформатора, затем выпрямляют. Поэтому, если неисправен строчный генератор, экран кинескопа не светится. При неисправности кадрового генератора луч не двигается в вертикальном направлении и на экране видна лишь яркая горизонтальная полоса.

Размер экрана телевизора зависит от применяемого кинескопа. Раньше выпускались круглые кинескопы, а сейчас - прямоугольные (размер по диагонали 35, 49 и 57 см). Эти цифры стоят на первом месте в названии кинескопа. Особое место занимают проекционные телевизоры, в которых работают очень маленькие и очень яркие кинескопы. С них изображение проецируют на киноэкран, размеры которого по диагонали могут достигать 120-150 см,

Для того чтобы, не уменьшая экран, сделать телевизор более компактным, конструкторы стремятся «укоротить» кинескоп, увеличив угол отклонения электронного луча. Так, в частности, еще недавно угол отклонения не превышал 70°, а в современных «коротких» трубках он увеличен до 110°. В будущем, по-видимому, удастся создать плоский экран, который можно было бы повесить на стенку, как картину.

Несколько лет назад в Москве начались регулярные опытные передачи цветного телевидения. Принцип здесь тот же, что и в цветном кино, - всю гамму красок создают с помощью трех основных цветов. На передающей стороне

Телевизор: 1 - кинескоп; 2 - генератор строчной развертки и высоковольтный выпрямитель; 3 -

катушки фокусировки и отклонения электронного луча; 4 - сетевой трансформатор и выпрямитель;

5 - переключатель телевизионных каналов; в - усилитель звука; 7 - усилитель изображения;

8 - преобразователь частоты; 9 - многоламповый усилитель промежуточной частоты.

камера с тремя трубками и светофильтрами дает три видеосигнала - красный, синий и зеленый. В приемнике можно направить эти сигналы на трубки с разным свечением или со светофильтрами, а затем, используя оптику, сложить все три изображения на общем экране. Имеются также специальные кинескопы для цветного телевидения, которые позволяют обойтись без сложной оптической системы сложения. Экран такого кинескопа напоминает трехцветную мозаику: он состоит из отдельных элементов, которые светятся красным, синим или зеленым светом. Особая система управления и синхронизации электронного луча позволяет в каждый момент «высвечивать» только один из элементов мозаики, причем «высвечивать» их в таком порядке, что на экране получается нужная цветная «картинка».

Телевидение больших дистанций

Телевизионное вещание, т. е. обычные передачи для телезрителей, проводится на УКВ. Здесь разместились все 12 телевизионных каналов. Этот участок включает диапазоны частот от 48,5 до 100Мгц и от 174 до 230Мгц. Это примерно в 400 раз больше, чем приходится на радиовещательный диапазон волн. Только на таких частотных «просторах» могут работать телевизионные передатчики - каждый из них излучает полосу частот примерно в 600 раз большую, чем для обычной радиовещательной станции.

То, что телецентры работают только на ультракоротких волнах, имеет свои плюсы и свои минусы. УКВ, в отличие от коротких волн, не отражаются от ионосферы, и поэтому принимать их можно только на расстоянии 50- 100 км от передатчика, т. е. до линии горизонта, «видимой» с передатчика. С одной стороны, это хорошо: телецентры разных городов могут работать в одних и тех же каналах (т. е. на одних и тех же частотах), не мешая друг другу. В нашей стране больше 140 телевизионных передатчиков, и они прекрасно делят между собой 12 частотных каналов. Но в то же время ограниченный радиус действия - большой недостаток телевизионного передатчика. В какой-то степени его компенсируют, поднимая на большую высоту передающую антенну. При этом как бы раздвигается линия горизонта, расши-

Системы дальнего телевидения: 1 - станция центрального телевидения; 2 - телецентры; 3 - радиорелейная линия; 4 - кабельная линия; 5 - ретранслятор, расширяющий зону уверенного приема; 6 - спутники-ретрансляторы.

ряется зона уверенного приема телевизионных передач. В Москве строится железобетонная башня высотой больше 500 м. Установленная на ее верхушке антенна увеличит радиус действия московского телецентра до 120-180 км. Увеличивают радиус действия и с помощью ретрансляторов - небольших приемопередатчиков, установленных на границе зоны уверенного приема.

Для обмена телевизионными программами между городами строят радиорелейные линии - цепочки станций, работающих на дециметровых волнах. Эти станции располагаются на расстоянии 40-60 км друг от друга. Каждая станция принимает телевизионный сигнал от своей «соседки» и передает его дальше. Наряду с радиорелейными строятся также подземные линии концентрического кабеля с большим числом

(10-15 на каждые сто километров) промежуточных усилителей.

По радиорелейным и кабельным линиям передаются не только телевизионные программы - их уплотняют сотнями телефонных и телеграфных каналов.

Линии дальнего телевидения уже связали Москву с Уралом, Украиной, Крымом, Прибалтикой, Молдавией, Кавказом, Белоруссией и другими районами, с европейскими социалистическими странами. Недалеко время, когда программы Центрального телевидения придут в Сибирь, в Среднюю Азию, к берегам Тихого океана. Для переброски телевизионных сигналов на большие расстояния используют искусственные спутники Земли. Таков, например, советский спутник-ретранслятор «Молния-1», запущенный в космос в апреле 1965 г.

РАДИОЛОКАЦИЯ

Еще в 1891 г. Генрих Герц, проводя опыты с электромагнитными волнами, обнаружил, что они прекрасно отражаются от металлических предметов. Через несколько лет А. С. Попов, наблюдая отражение радиоволн от корабля, предложил использовать это явление для локации - определения места («локус» в переводе с латинского значит «место») невидимых объектов. Но прошло еще 40 лет, прежде чем на базе радиоэлектронной техники были созданы первые действующие радиолокационные станции. Они появились перед второй мировой войной и предназначались для обнаружения невидимых целей кораблей и самолетов.

В каждом радиолокаторе есть передатчик, который посылает в пространство

короткие мощные импульсы радиоволн, и приемник - он «ловит» радиоволны, отраженные от цели. В передатчике и приемнике работает одна и та же направленная антенна. Она не разбрасывает радиоволны во все стороны, а направляет их сравнительно узким пучком. Антенна быстро вращается и прощупывает все пространство вокруг станции.

Для того чтобы узнать, в каком направлении находится цель, достаточно посмотреть, куда направлена антенна в тот момент, когда в приемнике появляется отраженный сигнал. Это видно по индикатору, стрелка которого вращается вместе с антенной и указывает ее направление. Но чтобы точно определить место невидимой цели, нужно еще знать и расстояние

Принцип устройства и работы радиолокационной станции: 1 - вращающаяся антенна; 2 - антенный переключатель; 3 - передатчик; 4 - приемник; 5 - блок развертки; 6 - индикатор расстояния; 7 - индикатор направления.

до нее. Измерить это расстояние помогли сверхточные часы. Ведь скорость радиоволны известна (800 тыс.км/сек), и пройденный ею путь легко подсчитать, зная, сколько времени сигнал шел «туда» и «обратно».

Сверхточными мы назвали часы не случайно. Радиоволны двигаются очень быстро - так, если расстояние до объекта 150 км, путешествие в оба конца занимает 0,001 секунды. Чтобы при подсчете расстояния не ошибиться более чем на 1,5 км, нужно измерить время с точностью до 0,00001 (одной стотысячной!) секунды. Такую точность могут обеспечить лишь электронные приборы.

Своеобразный циферблат электронных часов радиолокатора - экран электроннолучевой

трубки, размеченный, правда, не в единицах времени, как у обычных часов, а в единицах длины. Когда на экране появляются «всплески» от посланного и принятого после отражения сигнала, деления позволяют легко установить, каково расстояние до обнаруженного предмета.

Точные электронные часы применяют не только в радиолокации, но и во многих других областях науки и техники. Так, например, именно такими часами измеряют крохотные отрезки времени, в течение которых происходят различные превращения в атомном ядре.

Радиолокатор, о котором шла речь,- один из наиболее простых. Существуют локационные системы, на экране которых примерно так же, как и в телевизоре, можно видеть целые «картины». Если на корабле установить такой локатор, то он в любую погоду покажет штурману своеобразную карту, где будут видны очертания берегов и встречные суда.

Хотя радиолокация родилась на войне, у нее сейчас много мирных профессий. Локаторы установлены на всех крупных кораблях и обеспечивают безопасное плавание в любую погоду. В авиации радиолокаторы используются при слепой посадке самолетов, измеряют высоту полета. Метеорологи с помощью радиолокаторов наблюдают за осадками, движением облаков. Исключительно важную роль играет радиолокация в изучении и освоении космического пространства. (См. статьи «Автоматы помогают штурманам и капитанам», «Техника помогает водить самолеты», «Техника службы погоды», «Техника помогает изучать космос».)

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И КОСМОС

Когда мы говорим об освоении космического пространства, то обычно перед нашим взором прежде всего встают огромные многоступенчатые ракеты. И это вполне понятно: именно ракеты помогли человеку совершить прыжок в космос.

Но знаете ли вы, что эти серебристые гиганты фактически беспомощны без электронных приборов?

Только радиоэлектроника позволяет обеспечить точный старт ракеты, вывести ее на заданную орбиту, собрать и передать на Землю

научную информацию, следить за полетом ракеты и управлять ею.

Одна из самых главных задач любого запуска - добиться того, чтобы ракета строго выдерживала заданный курс на активном участке полета, т. е. тогда, когда работают двигатели. Малейший рывок, малейшая неравномерность в работе двигателей, незначительная атмосферная «неровность» могут повлиять на начальную скорость или на угол подъема, а следовательно, и на весь дальнейший путь ракеты. Это значит, что за полетом ракеты нужно

непрерывно следить и в случае необходимости подправлять ее, подавая соответствующую команду на двигатели.

Одна из систем запуска ракеты носит название «радиолокационный ствол». Упрощенно ее можно представить себе так: ракета стартует в центре «колодца», который образован несколькими лучами радиолокаторов. Если ракета идет ровно, то все локаторы получают одинаковые отраженные сигналы. Малейшее отклонение ракеты - и равновесие сигналов нарушено. Сигналы с локаторов направляют в электронно-вычислительную машину, которая в случае необходимости вырабатывает команду управления.

А вот другой принцип управления полетом - астронавигация. На борту ракеты установлен небольшой телескоп, наведенный на определенную звезду. Свет звезды падает на фотоэлементы и создает электрические сигналы, которые после некоторой обработки поступают на бортовую вычислительную машину. Если ракета отклонится от заданного курса, сигналы, поступающие с фотоэлементов в машину, изменятся, и она сразу же внесет поправку в работу двигателей.

Полетом ракет и космических кораблей обычно управляют большие вычислительные машины только они успевают учитывать

все данные полета и своевременно принимать правильное «решение». Если машина установлена на Земле, то команды управления передают на космический корабль в виде радиосигналов разной частоты, длительности, формы, в виде различных комбинаций высокочастотных импульсов и т. п.

Подобные системы телеуправления, или телемеханики, применяют и в промышленности, например для управления каким-либо взрывоопасным агрегатом.

Многие из вас видели телевизионные передачи из космоса, видели наших космонавтов в кабине корабля-спутника. Эти передачи вели установленные на спутнике небольшие телецентры-автоматы, затем их принимали наземные станции и передавали обычным телецентрам.

Космовидение - космическое телевидение не только помогает заглянуть в кабину космического корабля. С его помощью можно наблюдать также за космонавтом, вышедшим в открытый космос. Одно из важных достижений советской космической электроники - фотографирование обратной стороны Луны. Для этого была запущена ракета с очень точно рас-

считанной программой полета. Она обогнула Луну и 4 октября 1959 г. несколько раз сфотографировала ее. Затем ракета направилась в сторону Земли и передала по радио все фотографии, подобно тому как передаются обычные фототелеграммы.

Космовидение позволило наблюдать за состоянием космонавтов во время полета. На снимке: одно из изображений Г. С. Титова, принятое из космоса.

Телевидение не только помогает изучать космос, но и само пользуется успехами космической техники. Так, в частности, искусственный спутник Земли - прекрасный телевизионный ретранслятор. На нем можно установить приемник, который будет получать телевизионную программу с Земли, и передатчик, который перебросит эту программу на очень большое расстояние. Если запустить на круговую орбиту три спутника-ретранслятора с высотой полета около 35 тыс.км, то через них можно будет передать сигнал практически из любой точки земного шара почти в любое место.

В будущем телевидению отводится особо важная роль при изучении далеких миров. Телевизионные камеры, установленные на приспособленных для «мягкой посадки» ракетах, смогут показать нам с близкого расстояния загадочный ландшафт Луны, а может быть, даже и планет солнечной системы.

Среди многих применений радиоэлектроники в освоении космоса особый интерес представляют опыты локации Луны и планет солнечной системы. Советские ученые осуществили локацию Венеры и Меркурия и получили много новых данных об этих планетах. Одна из основных трудностей при выполнении подобных экспериментов связана с приемом отраженных сигналов. Ведь расстояния до планет исчисляются десятками миллионов километров. Поэтому от-

В квантовых генераторах атомы первоначально переводят в возбужденное состояние, например «выталкивают» электроны на далекую орбиту. Несколько «успокоившись» и заняв устойчивый уровень, электроны все же сохраняют дополнительный запас энергии. Затем под действием какого-либо «толчка», как по команде, все электроны одновременно возвращаются в первоначальное состояние. При этом атомы «согласованно» излучают электромагнитные волны.

раженный сигнал приходит на Землю настолько ослабленным, что просто теряется на фоне помех и собственных шумов приемника.

Чтобы представить себе мощность отраженного сигнала, рассмотрим весьма наглядный, хотя и не очень реальный, опыт. Зачерпнем из Тихого океана стакан воды, вскипятим его и выльем обратно. Затем перемешаем всю воду в океане и снова зачерпнем ее в стакан. Теперь вода в стакане окажется теплее, чем вначале. Но насколько?.. Практически изменение температуры неуловимо. Трудно даже представить себе, насколько изменилась тепловая энергия стакана воды. Вот примерно такие ничтожные изменения, такие порции энергии должен уловить приемник, чтобы зарегистрировать сигналы, отраженные от планет.

С подобной задачей справляются только уникальные приемники, точнее, целые приемные системы, число которых во всем мире можно пересчитать по пальцам. Каждый такой «приемник» занимает целый дом и содержит много сложных аппаратов, вплоть до холодильных установок.

Сверхчувствительные приемники используются и в радиоастрономии - для регистрации радиоволн, которые, подобно свету и теплу,

излучают небесные тела. Вместе с направленной антенной приемник образует радиотелескоп. С его помощью можно наблюдать невидимые звезды и получать важные сведения об их природе.

Сравнительно недавно в радиоэлектронике, и в первую очередь в космической, начали применять совершенно новые установки квантовые (часто говорят квантово-механические или молекулярные) генераторы и усилители. Излучателями в них являются атомы или молекулы. Главное достоинство таких систем исключительная точность.

В самые последние годы появились квантовые генераторы оптического диапазона - сокращенно лазеры (есть еще и мазеры). Они излучают обычный и в то же время необычный свет. Свет фонаря или спички - это бесчисленное множество излучений отдельных атомов и молекул, причем излучений несогласованных, хаотичных. В лазере все излучатели атомы и молекулы действуют очень согласованно, благодаря чему лазер дает узкий концентрированный луч (о принципе действия лазера вы можете прочитать в статьях «Свет» и «Электромагнитное поле» в т. 3 ДЭ). С по-

мощью лазера была осуществлена световая локация Луны.

Световое пятно на ее поверхности имело диаметр всего несколько километров!

Предполагается, что в будущем лазеры используют для связи с космическими кораблями. Кроме того, некоторые ученые считают

возможным построить такие лазеры, мощные игольчатые лучи которых можно будет использовать во многих областях техники, например для бурения скважин, для проходки шахт и тоннелей, для различных видов обработки металлов. Уже сейчас лазеры используют для обработки твердых материалов.

ПОЛУПРОВОДНИКИ В ТЕХНИКЕ

Если бы в наши дни возник вопрос, какие достижения науки и техники можно считать, как в древние времена, семью чудесами света, то среди первых единодушно были бы названы полупроводники (о физических свойствах полупроводников вы можете прочитать в ст. «Полупроводники» в т. 3 ДЭ).

Долгое время «царицей» радиоэлектроники была электронная лампа (см. ст. «Большая семья электронных приборов»). Ее могущественным соперником оказался кусочек полупроводника величиной с горошину. Или даже с маковое зерно. Сплошной кристалл твердого тела, в котором нечему ломаться, который не боится никаких самых сокрушительных ударов и чудовищных перегрузок. В нем нет раскаленной нити, а следовательно, ничего и не перегорает. Энергии он расходует ничтожно мало в тысячи раз меньше, чем электронная лампа одинаковой с ним мощности. Поэтому и служит он очень долго. Некоторые полупроводниковые приборы, поставленные несколько лет назад на испытание долговечности, работают и поныне - по 100 (и больше!) тыс. часов.

В предыдущих статьях этого раздела было подробно рассказано о процессах, происходящих в различных радиоэлектронных приборах и схемах, в том числе и в полупроводниковых. В этой статье мы расскажем о конкретных применениях полупроводников в технике. Но поскольку каждый день приносит все новые и новые открытия в этой области, мы остановимся лишь на нескольких, наиболее интересных, с нашей точки зрения, примерах.

Лилипуты в мире великанов

Начнем с первых полупроводниковых приборов - с выпрямительного диода, усилительного триода и генератора электрических колебаний высокой частоты, заменивших электронные лампы.

Собранный на полупроводниковых приборах «настоящий» 7- или даже 9-«ламповый» радиоприемник высокого класса легко умещается в папиросной коробке. На его питание в год расходуется несколько батареек - по размеру и весу не больше тех, какие применяются в карманных электрических фонариках (в то время как вес и стоимость годового комплекта батарей для обычного радиоприемника в несколько раз превышают его вес и стоимость).

Много страданий и неудобств приносит людям потеря или ослабление слуха. Существует немало типов слуховых приборов, состоящих из небольшого микрофона, усилителя величиной с портсигар и телефона, вставленного в ухо. Но эти приборы неудобны. Благодаря полупроводникам стало возможным разместить весь слуховой прибор в оправе для очков.

В первой электронной вычислительной машине, способной производить несколько десят-

Схема миниатюрного приемника на транзисторах. Такой приемник не больше папиросной коробки.

Энергетический «мост» Луна-Земля. Энергию солнечных электростанций, установленных на Луне, можно будет передавать на Землю с помощью квантовых генераторов (лазеров).

ков тысяч арифметических действий в секунду, работало до 13 тыс. электронных ламп. Она занимала большое здание и требовала для питания энергию целой электростанции мощностью 350 квт. Машина, собранная на полупроводниках, занимает объем обычного письменного стола и потребляет только 250 вт.

Подводный кабель с вмонтированными в него крошечными полупроводниковыми усилителями можно не поднимать со дна океана в течение нескольких лет. Раньше эту дорогостоящую работу приходилось выполнять довольно часто - каждый раз, когда перегорала какая-нибудь электронная лампа. Так полупроводники помогают решить очень важную для современной науки и техники проблему - проблему надежности работы машин, аппаратов и приборов.

Было время, когда радиоустановок и приборов всех видов было сравнительно немного и расходуемую на их питание электрическую энергию можно было не принимать во внимание вовсе. Сейчас количество радиоэлектронной аппаратуры в стране достигло столь большой величины, что на ее питание расходуется не менее 1 млрд. квт-ч в год - примерно половина мощности электрической энергии, производимой в царской России в 1913 г.

Замена ламп полупроводниковыми приборами только в радиоприемниках и телевизорах позволила бы уменьшить этот расход на 95%-на 950 млн.квт-ч!

Полупроводниковая «упряжь» Солнца

Почти три четверти века ушло на то, чтобы создать и усовершенствовать фотоэлемент - устройство, способное превращать энергию света непосредственно в электричество. Но эффективность фотоэлементов едва достигала 0,5-1,0%. Полупроводниковые фотоэлементы сразу изменили положение дел. Их эффективность уже достигает 15%.

Из общего количества щедро рассеиваемой Солнцем по всем направлениям космоса энергии на долю каждого квадратного метра поверхности земного шара приходится не менее 1 квт.

Щит площадью в квадратный метр, собранный из тоненьких прозрачных пластинок или пленок полупроводниковых фотоэлементов, позволяет получать более 100 вт электрической мощности за счет солнечных лучей. Выложенная такими батареями крыша одноэтажного дома площадью, допустим, 100 м³ могла бы с избытком обеспечить нужды жильцов дома в электрической энергии. Гектар поверхности дал бы 1000 квт - мощность довольно большой электрической станции! А ведь на нашей планете имеется не менее 27-40 млн.км² пустынь, горных кряжей и непригодных для использования мест. Но это еще не все. Ученые подсчитали, что к. п. д. полупроводниковых фотоэлементов со временем можно будет довести до 20%.

Акад. Н. Н. Семенов высказал даже такую идею: в гигантскую солнечную электрическую станцию когда-нибудь можно будет превратить и Луну. Хотя площадь поверхности нашего спутника и меньше Земли в 16 раз, но зато из-за отсутствия атмосферы на каждый квадратный метр ее поверхности падает в три раза больше света. Поэтому Луна получает не в 16, а только в 5 раз меньше энергии, чем вся поверхность земного шара, или почти столько, сколько ее

приходится на материковую часть Земли. Кроме того, полупроводниковые батареи из прозрачных фотоэлементов, чувствительных к разным участкам спектра солнечного света, на Луне можно было бы располагать в несколько этажей. Это позволило бы повысить отдачу энергии солнечными батареями до 40-45%. Полученную таким путем энергию можно было бы передавать на Землю направленным пучком световых лучей или радиоволн.

Все это означает, что полупроводниковый фотоэлемент, служащий пока главным образом в приборах и устройствах техники слабых токов, может стать одной из основ энергетики будущего. Именно с помощью фотоэлементов была решена проблема энергоснабжения космических аппаратов. Начиная уже с третьего советского искусственного спутника Земли все многочисленные бортовые установки управления и связи на спутниках и космических кораблях питаются электрической энергией, получаемой от солнечных батарей.

Но свет только одна, причем очень незначительная, часть излучений, существующих в природе. Например, энергия ультрафиолетовых лучей намного выше энергии лучей видимого света, энергия рентгеновских лучей выше, чем ультрафиолетовых, гамма-лучей - чем рентгеновских, и т. д. Поэтому если полупроводниковые фотоэлементы «осветить» ультрафиолетовыми, рентгеновскими или гамма-лучами или, наконец, просто потоком летящих с очень большой скоростью электронов, то создаваемый ими электрический ток будет еще более сильным, чем под действием видимого света. На этом принципе уже созданы первые образцы атомных электрических батарей.

Электроэнергия непосредственно из теплоты

Измерить температуру до 100° - дело несложное. Труднее измерить температуру выше 250°: для этого нужны уже специальные термометры, Ну а как измерить температуру печи, в которой плавят металлы,- 1800-2500°? Здесь на помощь приходят термоэлементы. Известно, что если нагревать место спая двух стержней разнородных металлов, то на их концах появляется разность электрических потенциалов. Она зависит от разности температур горячего и холодного концов термоэлемента. Измерив ее, можно довольно точно определить температуру.

При нагревании места спая двух разнородных металлов в цепи возникает электрический ток. Термоэлементы основаны на этом принципе.

Естественно возникает вопрос: а нельзя ли этим способом получать электроэнергию? Можно. Но к. п. д. преобразования тепла непосредственно в электричество таких устройств едва достигает 0,5-1%. И здесь опять на помощь пришли полупроводники. Ученые обещают довести к. п. д. термобатареи на полупроводниках до 25-30%.

Устройство полупроводниковой термобатареи несложно. Она состоит из большого числа отдельных термоэлементов, собранных так, чтобы одни спаи нагревались до предельно высокой температуры, а другие охлаждались до возможно низкой температуры. И чем больше будет разница между этими крайними пределами, тем выше коэффициент полезного действия батареи (подробнее о промышленном использовании термоэлектрогенераторов рассказано в ст. «Энергетика будущего»).

Холод рождает тепло

Сегодня вряд ли есть необходимость доказывать огромную пользу, приносимую людям машинами для производства искусственного холода (см. ст. «Искусственный холод»). И в этой важнейшей отрасли техники полупроводники уже играют важную роль.

Основоположнику современной науки о физике твердого тела и полупроводниках акад. А. Ф. Иоффе в результате многолетних исследований спаев, сделанных из полупроводников, удалось создать термоэлектрические батареи для получения довольно низких температур. Если все «холодные» спаи этих батарей поместить в небольшом закрытом пространстве, а «горячие»

При прохождении тока через спай двух полупроводников выделяется или поглощается тепло. Это явление используется при создании термоэлектрических нагревателей и холодильников.

спаи - снаружи, то получается отличный холодильник. Он расходует значительно меньше электрической энергии, чем обычные комнатные или промышленные холодильники. Ему не нужны компрессоры, двигатели, охлаждающая жидкость, другое оборудование.

А теперь представьте себе, что большие батареи холодильных элементов установлены так, что их «горячие» спаи находятся внутри комнаты, а «холодные» - снаружи. Если пропускать сквозь них электрический ток, то «горячие» спаи начнут нагревать воздух комнаты, а «холодные» - охлаждать воздух улицы. Температура наружного воздуха будет понижаться на какую-то ничтожно малую величину. «Горячий» же спай сможет заметно повысить температуру комнаты, так как ее объем во много раз меньше объема охлаждаемого воздуха на улице. Расход электроэнергии при этом по сравнению с отоплением обычными электрическими печами уменьшается практически в два раза.

Полупроводниковые выпрямители

Сейчас в промышленности, технике и быту применяется главным образом переменный ток. Однако в ряде областей (а их довольно много, например на транспорте) нужен не переменный, а постоянный ток (см. ст. «Переменный и постоянный ток в технике»). Чтобы не строить электрические станции на разные виды тока, постоянный ток получают из переменного с помощью разнообразных преобразователей, машин, ртутных ламповых выпрямителей. А это связано с довольно значительными потерями. Если же всю армаду применяемых в стране преобразователей переменного тока в постоянный удалось бы заменить на полупроводниковые

выпрямители, то это позволило бы ежегодно экономить более 3 млрд. квт-ч электроэнергии! При этом их к. п. д. может достигать 98-99%. Пластинка площадью 100-120 см², т.е. величиной с записную книжку, при условии идеального ее охлаждения могла бы выпрямлять переменный ток в постоянный, достаточный для питания электровоза мощностью 3-4 тыс.л. с.! К сожалению, полупроводниковые выпрямители пока работают при температурах не выше 200°. Это еще мешает их широкому внедрению, хотя с каждым годом число всевозможных видов полупроводниковых выпрямителей все увеличивается.

Сверхчувствительность

Известно, что при нагревании чистых металлов их электрическое сопротивление увеличивается. У полупроводников оно, наоборот, уменьшается. Это свойство оказалось очень важным для ниспровержения термометра. На смену ему пришел термистор. Это маленький кусочек полупроводника, соединенный с небольшой электрической батареей и чувствительным измерительным прибором. Достаточно внешней температуре чуть-чуть повыситься или понизиться, как сопротивление термистора резко уменьшится или увеличится. Это вызовет изменение протекающего через него тока, что и покажет измерительный прибор.

Эти устройства обладают исключительной чувствительностью. В Ленинградском агрофизическом институте сконструирован микроэлектротермометр «игла». Шарик диаметром в 0,5 мм одним прикосновением, длящимся десятую или даже сотую долю секунды, измеряет с большой точностью температуру различных участков листа растения.

Но как быть, если нужно узнать очень незначительные изменения температуры предмета, к которому нельзя непосредственно прикоснуться термистором? Для этого служит другой прибор - болометр. Это еще более крошечное термосопротивление, сделанное из самых чувствительных к изменению температуры полупроводников. Оно окрашено в черный цвет и заключено в трубку, из которой выкачан воздух. Сам болометр устанавливается в фокусе большого металлического зеркала и охлаждается до очень низкой температуры с помощью сжиженных газов - водорода, гелия.

Любой нагретый предмет излучает тепловые - инфракрасные - лучи. Улавливая эти лу-

Конструкция фотодиода (А); и фототриода (Б). Фотодиод: 1 - кристалл германия; 2 - pn -переход; 3 - стеклянное окно; 4 - корпус. Фототриод: 1 - германиевая пластинка; 2 - капля индия - коллектор; 3 - капля индия - эмиттер; 4 - изолятор; 5 - вывод; 6 - герметический корпус; 7 - отверстие со стеклом.

чи, болометры позволяют очень точно измерить температуру предмета на весьма значительном расстоянии. С помощью болометра можно было бы обнаружить с Земли спичку, зажженную на Луне.

В последнее время советским ученым удалось даже хорошо известные и изученные типы фотоэлементов сделать еще более чувствительными и эффективными. Если, например, к фотоэлементу из металлического полупроводника германия подключить еще и небольшую электрическую батарейку, то получается новый прибор - фотодиод, чрезвычайно чувствительный к видимому и невидимому излучениям. Еще большей чувствительностью обладает комбинированный фотоэлемент с фотодиодом и усилителем - фототриод.

Усилители света

Есть такие вещества - электролюминофоры. Когда сквозь них пропускают электрический ток, эти вещества (например, сернистый цинк, активированный медью) светятся. Свечение в кристаллах таких веществ возникает в результате того, что под действием электрического напряжения оба типа носителей зарядов - электроны и «дырки» (см. ст. «Полупроводники» в т. 3 ДЭ) - начинают двигаться навстречу друг другу и сталкиваются. Выделяющаяся при этом энергия превращается в кванты светового излучения. Яркость свечения возрастает по мере нарастания проходящего через них тока и его частоты.

Открытие явления электролюминесценции натолкнуло ученых на идею использовать его для создания усилителей яркости изображения. Для этого между пластинками, служащими электродами, помимо слоя электролюминофора, вводится еще слой чувствительного к свету полупроводника, например соединения кадмия с серой, селеном или теллуром. На участках полупроводника, куда падает наиболее яркий свет, сопротивление проходящему току резко уменьшается. Все приложенное к такому многослойному «пирожку» электрическое напряжение будет воздействовать только на слой электролюминофора, который в этих местах, естественно, станет светиться наиболее ярко. Там же, где на поверхность полупроводника упадет мало света, его сопротивление останется высоким и большая доля приложенного напряжения придется уже на долю полупроводника. Прилегающий к нему участок электролюминофора из-за недостатка приходящегося на его долю напряжения светиться уже не будет. И если направить на такое устройство почти не воспринимаемое глазом слабое световое изображение, на его противоположной, светящейся стороне можно получить яркую, усиленную копию.

Явление электролюминесценции позволяет также превращать в видимое изображение, получаемое в невидимых инфракрасных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучах. Для этого выбирается полупроводник, меняющий свое электрическое сопротивление только под действием каких-либо из этих невидимых лучей. Но это не все. Усиленное изображение во всех таких установках сразу же исчезает, как только прекращается воздействие света или электрического тока. Во многих же случаях бывает очень важно сохранить полученное изображение как можно дольше, чтобы успеть изучить его детали, переснять на специальные фотопластинки и т. д.

Совсем недавно ученые создали новый вид люминофора, способного как к электролюминесценции, так и к фотолюминесценции (свечение под действием света). Если этот состав находится в темноте, он не светится и через него проходит очень слабый ток. Но достаточно свету или какому-нибудь другому излучению «включить» электролюминесцентный механизм такого вещества, как появляется свечение, яркость которого пропорциональна силе и продолжительности этого возбуждающего излучения. При этом после того, как облучение прекращается, экран продолжает еще довольно долго светить-

Схема работы электролюминесцентной «памяти» : 1 - цепь замкнута, экран не освещен, тока в цепи нет; 2 - спроектировано изображение, экран освещен, ток идет;

3 - источник света выключен, ток идет, изображение сохраняется;

4 - цепь разомкнута, изображение «стерто». Справа разрез экрана: а - прозрачный защитный слой; б - прозрачный пленочный электрод; в - люминофор; г - изолятор; д - металлический электрод; е - керамическая подложка.

ся. Чувствительность устройства настолько высока, что позволяет, например, сократить время рентгеновского просвечивания больного до долей секунды.

Многого ждут от усилителей света астрономы. Важнейшие исследования обозримой Вселенной в наши дни осуществляются с помощью фотографии. Но чтобы, несмотря на атмосферу, искажающую картину звездного неба, сделать четкий и яркий снимок, приходится пользоваться особыми сверхчувствительными фотопластинками и сверхгигантскими телескопами. И все равно света не хватает - снимок приходится выдерживать десятками минут и даже часами. За это время, естественно, движение атмосферы делает свое «черное» дело: изображение смазывается, расплывается, теряет четкость. Отсюда задача - сократить любыми способами время выдержки при съемке.

Решить проблему удалось с помощью преобразователей и усилителей света, главная часть которых - все те же полупроводники. Благодаря им принимаемое на экран телевизионных трубок изображение можно сделать достаточно ярким, чтобы получить фотоснимки в доли секунды.

Подобный телевизионный телескоп не только усиливает яркость изображения, но и позволяет увеличить его размеры на экране, усилить контрастность. Более того, применяя передающие трубки, особо чувствительные к инфракрасным или ультрафиолетовым лучам, можно наблюдать небесные тела в тех участках спектра электромагнитных волн, к которым и глаз, и фотопластинки нечувствительны.

Молекулярная электроника

То, что ученым, конструкторам, инженерам в последнее время удалось - в основном с помощью полупроводников - сделать в области уменьшения размеров электронных приборов, кажется удивительным проникновением в мир микроскопически малых величин. Но это далеко не предел. Ученые задумались: нельзя ли использовать в качестве элементов электронных устройств молекулярную структуру твердого тела? Ответ на этот вопрос, и ответ положительный, дает новое направление науки - молекулярная электроника.

Сверхчистые германий и кремний с их совершенной кристаллической структурой необычайно чувствительны к присадкам других веществ. Если в различные участки этих кристаллов ввести строго определенные количества микродобавок бора, галлия, алюминия, сурьмы, мышьяка и т. п., создающих избыток носителей отрицательных или положительных зарядов и создающих в полупроводниках ту или иную проводимость, то в них одновременно образуются микроскопические зоны распределения электрических зарядов. Эти зоны проявляют в плоскости соприкосновения кристаллов друг с другом самые различные электрические свойства и могут выполнять функции основных элементов любой электронной схемы: сопротивлений, емкостей, диодов (выпрямителей) и триодов (усилителей).

Такие кристаллы с дополнительными электрическими свойствами и функциями называют функциональными блоками,

хотя они по-прежнему продолжают оставаться монолитным твердым телом.

Вносить присадки в кристаллы полупроводников, превращающие их в электронные схемы, можно множеством самых разнообразных способов: воздействуя на них химическими методами, облучая потоком электронов, видимыми и невидимыми лучами, ультразвуком, напыливая на них другие вещества или вводя их методом диффузий.

Изменить сопротивление полупроводника, например, можно, вводя в него присадки, уменьшающие первоначальное электрическое сопротивление, или просто изменяя его геометрические размеры: длину, ширину, толщину. А емкость можно получить, нагревая кремний в атмосфере кислорода. Вследствие нагрева на его поверхности образуется тончайшая прочная пленка кварца, представляющая собой отличный диэлектрик. Если же на пленку нанести еще столь же тонкий слой металла, то кристалл, пленка и слой металла составят конденсатор постоянной емкости, величину которой легко менять, сокращая или увеличивая площадь обкладок или толщину разделяющего их диэлектрика (пленки). В таком блоке не нужны даже монтажные соединительные проводники, так как его элементы непосредственно соприкасаются друг с другом.

Вот как будет, например, выглядеть блок для преобразования переменного тока напряжением 110 в в постоянный ток напряжением, допустим, 10 в. В обычном выпрямителе для этого нужны 5 элементов - сетевой понижающий трансформатор, ламповый диод, дроссель для сглаживания пульсаций выпрямленного тока и два конденсатора большой емкости. В молекулярном выпрямителе ничего этого не требуется. Все заменяется крошечным кусочком кристалла германия.

Обрабатывая кристалл одним из описанных выше способов, в нем можно образовать три зоны с различными физическими свойствами: зону сопротивления, изолирующую и термоэлектрическую зоны. При прохождении переменного электрического тока через зону сопротивления она, естественно, разогревается. Изолирующая зона сквозь себя электрического тока не пропускает, но зато хорошо проводит тепло, тем самым нагревая термоэлектрическую зону. Последняя представляет собой полупроводниковый термоэлемент, вырабатывающий при нагревании постоянный электрический ток напряжением около 10 в, не нуждающийся ни в каком сглаживании, а следовательно, и в применении конденсаторов и дросселей.

Прочность и надежность действия таких электронных схем приближаются к идеальным. Если учесть, что ученые научились получать пленки германия толщиной всего 0,002 мм,- а этого вполне достаточно, чтобы создавать в них все необходимые зоны с функциями, ранее осуществляющимися отдельными деталями,- молекулярные схемы можно будет изготовлять, спрессовывая вместе любое количество таких пленок.

Пока молекулярная электроника только зарождается. Однако есть все основания полагать, что перед техникой открываются новые удивительные перспективы.

Мы рассказали здесь лишь о некоторых областях применения радиоэлектроники. О других специальностях электронных приборов вы можете узнать, прочитав статьи раздела «Автоматика», статьи «Машины-математики», «Машины-переводчики», «Машина обучает», «Прыгающие» электроны», а также статью «Электронные вычислительные машины» в т. 2 ДЭ.

КАК ДОБЫВАЮТ ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ

ДОБЫЧА НЕФТИ И ГАЗА

Самые нужные и самые дешевые

В истории человечества бывало уже не раз, что одни полезные ископаемые «вырывались вперед», начинали обгонять другие ископаемые и буквально «завоевывали» весь мир. Так было в древности с медью, обогнавшей кремень и положившей начало бронзовому веку. Так было потом с железом, обогнавшим медь.

В наше время на первый план среди горючих ископаемых постепенно выдвигаются нефть и газ. Правда, они еще не обогнали каменный

уголь, но в ближайшие годы, несомненно, обгонят .

Почему это происходит? Дело в том, что химическая промышленность и транспорт в последние годы стали нуждаться во многих продуктах, получаемых из нефти. Автомобили и самолеты немыслимы без бензина и керосина. Разнообразные синтетические материалы очень выгодно изготовлять из нефти и газа. Однако своим успехом нефть и газ обязаны не только резко возросшему спросу. Очень важно и то, что добывать их проще, чем уголь.

Как бурят скважины

Главная машина для добычи нефти и газа - буровой станок. Первые буровые машины, появившиеся сотни лет назад, по существу, копировали рабочего с ломом. Только лом у них потяжелее и по своей форме напоминал скорее долото. Он так и назывался - буровое долото. Подвешивали буровое долото на канате, который то поднимали с помощью ворота, то опускали.

Такие машины называются ударно-канатными. Они существуют во множестве и сейчас, только теперешние «долота» весят иной раз сотню, а то и две сотни пудов и поднимают их не вручную, а с помощью мотора. Несмотря на это, ударно-канатные станки можно назвать уже вчерашним днем техники. Очень уж медленно пробивают они отверстие в камне, очень уж неудобны и неповоротливы, очень много энергии расходуют зря и медленно работают - ведь перед каждым ударом стальное стопудовое «долото» надо тащить на канате вверх, потом бросать, потом опять тащить... Там, где нужно бурить очень глубокие скважины, станки с долотом и канатом вообще не годятся.

Гораздо быстрее оказался другой способ бурения - роторный, при котором скважина высверливается. Нефтяной «бурав» - это ажурная металлическая четырехногая вышка высотой с десятиэтажный дом, к вершине которой подвешена толстая стальная труба. Ее вращает устройство - ротор. На нижнем конце трубы - буровое долото. Это долото только по названию напоминает инструмент ударно-канатного станка, а на самом деле оно скорее похоже на сверло - только очень короткое и особо прочной конструкции. Буровой мастер включает мотор ротора, и долото начинает быстро врезаться в землю, высверливая скважину. По мере того как буровой инструмент уходит все глубже в землю, трубу удлиняют. Для того чтобы «стружки» - куски разрушенной земли - не заполняли пробуренную скважину, в нее насосом через трубу нагнетают глинистый раствор. Раствор промывает скважину, уносит из нее вверх по щели между трубой и стенкой скважины разрушенную глину, песчаник, известняк. Одновременно глинистый раствор как бы штукатурит стенки скважины, чтобы они не обрушились.

Но и у роторного бурения есть свой недостаток. Чем глубже скважина, тем тяжелее работать мотору, тем медленнее идет бурение. Ведь одно дело вращать стальную трубу длиной

Буровая вышка. Справа: насосная станция, подающая в скважину глинистый раствор, и отстойник, в котором осаждается измельченная буром порода. Слева: схема, показывающая соотношение размеров вышки и глубины скважины.

в пять - десять метров, когда бурение скважины только начинается, и совсем другое - крутить колонну труб, в которой пятьдесят, сто, пятьсот метров. А когда глубина скважины достигает километра? Двух километров?

Насколько легче было бы мотору, если бы нужно было вращать только буровое долото!

Турбобур и электробур

И такая машина была построена впервые в мире советским инженером М. А. Капелюшниковым в 1923 г. На поверхности земли, на вышке, не было видно никакого ротора, и тем не менее буровая колонна быстро уходила вглубь гораздо быстрее, чем раньше. Все дело в том, что изобретатель поместил мотор не наверху, а внизу - рядом с буровым инструментом. Теперь всю свою мощность мотор расходовал только на вращение самого бура.

У этого необыкновенного станка и мотор был необыкновенный. Инженер Капелюшников заставил вращать бур ту самую воду, которая раньше только вымывала из скважины разрушенную породу. Теперь, прежде чем достигнуть дна скважины, накачиваемый насосом глинистый раствор вращал маленькую турбину, к которой прикреплен буровой инструмент.

Новый станок назвали турбобуром. Со временем его усовершенствовали. Теперь в скважину опускают множество турбин, насаженных на один вал. Понятно, что мощность такой «многотурбинной» буровой машины во много раз больше и бурение идет во много раз быстрее.

Другая замечательная советская буровая машина - электробур.

Электробур, изобретенный А. П. Островским и Н. В. Александровым, пробурил первые нефтяные скважины в 1939 г. У этой машины колонна труб, на которой подвешен бур, тоже не вращается, работает только сам буровой инструмент. Но крутит его не водяная турбина, а электрический двигатель.

Двигатель электробура помещен в стальную «рубашку» - кожух, заполненный маслом. Масло все время находится под высоким давлением, поэтому окружающая вода не может проникнуть в двигатель. А чтобы мощный мотор мог поместиться в узкой нефтяной скважине, пришлось сделать его очень высоким, и двигатель получился похожим на столб: диаметр у него как у блюдца, а высота - 6 - 7 м, в два с лишним раза выше комнаты.

Так устроен турбобур: 1 - лопасти ротора (вал турбобура); 2 - лопасти статора (корпус турбобура); 3 - поток глинистого раствора; 4 - буровой инструмент.

«Бур» без бура

Для того чтобы бурить еще быстрее, нужно научиться разрушать породу на дне скважины без твердых инструментов. Даже если резцы долота сделаны из специального твердого сплава или алмазов, они довольно быстро тупятся, ломаются, и долото надо заменять новым. А чтобы заменить, надо вытащить бур на поверхность с большой глубины. Поэтому нередко на замену инструмента уходит гораздо больше времени, чем на само бурение.

На помощь буровикам пришли ракетчики. В 50-х годах была сконструирована горелка, работающая по принципу жидкостного реактивного двигателя. В камеру сгорания поступают керосин и кислород, а из сопел горелки со сверхзвуковой скоростью вырывается раскаленная до нескольких тысяч градусов струя газов. Эта струя мгновенно нагревает дно скважины, порода растрескивается на небольшие чешуйки, которые уносятся на поверхность теми же газами и паром, образующимся при охлаждении горелки водой.

Машин для огневого бурения очень глубоких скважин пока еще нет. Но в крепких породах, содержащих большое количество кварца, уже удается «бурить» десяти- и двадцатиметровые скважины струей раскаленных газов быстрее, чем любым другим способом.

Существуют и другие, совсем новые способы разрушения твердых (скальных, как говорят в технике) пород. Например, советские ученые предложили использовать для этого переменный ток высокой частоты. Буровых установок, работающих на этом принципе, еще нет. Но уже существуют высокочастотные установки, с помощью которых с успехом раскалывают каменные глыбы.

Есть и еще одна возможность обойтись без какого-либо механического инструмента. В Советском Союзе изобретен способ «бурения» глубоких скважин с помощью маленьких порций взрывчатки, которая, падая на дно скважины, разрушает его.

Нефть и газ текут по скважинам

Бурение - основная работа при добыче нефти и газа. В отличие, скажем, от угля или железной руды (см. ниже) нефть и газ не нужно отделять от окружающего массива машинами или взрывчаткой, не нужно выдавать на-гора конвейером или в вагонетках. Как только скважина достигла нефтеносного пласта, нефть, сжатая в недрах давлением газов и подземных вод, устремляется вверх с огромной силой. Остается только вовремя поймать эти фонтаны в трубы.

Но через некоторое время давление в недрах уменьшается, иногда довольно скоро, и оставшаяся там нефть перестает течь вверх. Тогда нефтяники через специально пробуренные отверстия накачивают под землю воду. Вода давит на нефть и выдавливает ее на поверхность по вновь ожившей скважине. Но скоро и вода уже не может помочь. Наступает время применить главный способ: в скважину опускают насос и начинают выкачивать нефть. С помощью насосов добывают большую часть нефти.

Подземная газификация

Через скважины можно добывать и некоторые твердые полезные ископаемые, превращая их сначала в жидкость или газ.

Первым твердым полезным ископаемым, которое стали добывать в жидком виде, была соль. Она, как известно, легко растворяется в воде, Второе твердое полезное ископаемое, которое удалось заставить течь,- сера. Сера очень легко плавится уже при 120°.

Научились люди превращать под землей в газ, и уголь, и горючие сланцы. Первым идею подземной газификации каменного угля выдвинул еще в прошлом веке Д. И. Менделеев. Он предложил не извлекать каменный уголь из-под земли, а прямо там, в недрах, сжигать его при малом доступе воздуха, превращая в горючий газ. И затем по трубам выдавать этот газ на поверхность. Эту идею высоко оценил В. И. Ленин.

В нашей стране ведутся большие опытные работы по подземной газификации. Первая в мире станция газификации угля была сооружена в Донбассе в 1934 г. Потом построили еще несколько станций.

Принцип работы станции подземной газификации таков. С поверхности до самого угольного пласта сооружают глубокий колодец - шахтный ствол. От него через угольный пласт прорубают длинный коридор - штрек. Сверху,

от поверхности до штрека, бурят скважины, затем угольный потолок штрека поджигают и по одним скважинам начинают накачивать воздух, а по другим - отсасывать из шахты образовавшиеся там горючие газы. Когда пласт между пробуренными скважинами сгорит полностью, до самого верха, бурят новые скважины на соседнем участке.

На станции подземной газификации угля работает гораздо меньше шахтеров, чем на обычной угольной шахте. Но все-таки сотни рабочих должны опускаться под землю. Поэтому газ получается еще очень дорогим. Ученые ищут пути к тому, чтобы подземную газификацию угля можно было вести без стволов и без штреков - с помощью одних только скважин, пробуренных с поверхности земли.

Хранение и транспортировка нефти и газа

Нефть и газ удобно и выгодно не только добывать; транспортировка этих полезных ископаемых на нефтеперерабатывающие и химические заводы, электростанции, в города тоже очень удобна. Нефть перевозят и в цистернах - по железным дорогам и автомобилями, а по морям и океанам - в нефтеналивных судах танкерах. Но во многих случаях нефть не нуждается в таком дорогом транспорте. Она может течь на любые расстояния по трубам.

Протяженность нефтепроводов и газопроводов - магистралей из стальных труб, уложенных неглубоко в земле,- достигает десятков тысяч километров. Например, в Сибирь до самого Байкала нефть теперь не ведут из Европейской части Союза, а качают по трубам. Другая магистраль - нефтепровод «Дружба» - тянется через границы нескольких стран. По нему советская нефть идет к нашим друзьям - в Польшу, Чехословакию, Венгрию, ГДР.

А вот нефть и газ хранить сложнее, чем уголь и руду.

Для хранения нефти и получаемых из нее нефтепродуктов, например бензина, нужно строить специальные металлические резервуары. Они похожи на гигантские консервные банки. Стенки нефтехранилищ окрашивают серебристой алюминиевой краской, хорошо отражающей солнечные лучи. Иначе нефть нагреется и станет быстро испаряться, теряя самые ценные легкие части.

Слева: три способа добычи нефти из скважины - нефть фонтанирует под давлением газов и подземных вод (I схема); нефть идет из скважины под давлением накачиваемого в нефтеносный пласт сжатого воздуха (II - схема); откачка нефти с помощью специальных насосов (III схема). Справа: так выглядит машина, с помощью которой откачивают нефть.

Чтобы нефть испарялась как можно меньше, применяют и другие приспособления, например делают крышу нефтехранилища не обычной, а плавающей. Если из резервуара выкачают часть нефти и ее уровень в резервуаре понизится, то вслед за нефтью опустится и крыша. Плотно прилегая к поверхности, такая крыша препятствует испарению нефти.

Для хранения газа необходимы герметичные, наглухо закрытые, газонепроницаемые резервуары. Чтобы газ при хранении занимал как можно меньше места, его сжимают и сжижают. Газохранилища должны быть очень прочными, иначе давление газа разорвет их. Большие хранилища для сжатого газа называются газгольдерами. А чаще всего сжатый газ хранят под высоким давлением в специальных стальных баллонах.

Еще под более высоким давлением приходится хранить сжиженный газ. Для того чтобы стенки хранилищ для сжиженного газа лучше выдерживали такое высокое давление, их делают сферическими.

Но бывают газохранилища, не требующие для своего сооружения ни стали, ни каких-либо других прочных материалов. Это естественные хранилища, находящиеся под землей - там, откуда раньше добывали нефть или газ. Стенками таких естественных хранилищ служат газонепроницаемые пласты породы.

ДОБЫЧА УГЛЯ И РУДЫ

Как устроена шахта

Твердые полезные ископаемые извлекают из-под земли двумя способами - подземным или открытым. Современные предприятия горнодобывающей промышленности - настоящие заводы. «Завод» для подземной добычи - это шахта, для открытой - карьер.

Почти все работы в шахте выполняют в наше время машины. На разных шахтах они бывают

Схема угольной шахты: 1 - надшахтное здание; 2 - копер главного ствола; 3 - копер вспомогательного ствола; 4 - бункер для погрузки угля в вагоны; 5 - отвал породы (террикон); 6 - подвесная дорога; 7 - железнодорожные пути; 8 - здание вентилятора; 9 - здание подъемной машины; 10 - склад крепежных материалов; 11 - главный ствол; 12 - откаточные горные выработки; 13 - конвейерный штрек; 14 - пласт угля; 15 - забой.

разными, в зависимости от того, какое именно полезное ископаемое добывают под землей - сравнительно мягкое или более твердое. Например, каменный уголь можно просто резать специальными машинами. А твердую железную или медную руду приходится взрывать.

Шахта начинается с глубокого колодца или крутого тоннеля - ствола. Ствол шахты и строят (горняки говорят - «проходят») так же, как колодец: его понемногу углубляют сверху вниз, все время укрепляя стенки, чтобы они не обваливались.

Проходчики шахтных стволов вооружены перфораторами - машинами, которые с помощью сжатого воздуха бурят неглубокие узкие скважины под взрывчатку; грейферами для погрузки взорванного камня; подъемными машинами, которые вытаскивают этот камень на поверхность в стальных бадьях, и многими другими механизмами. А крепят стенки шахтных стволов бетоном, железобетоном, чугунными кольцами - тюбингами.

Назначение ствола - связь разработок с поверхностью. По одним стволам ходят клети (это стальные коробки, похожие на кабину лифта), по другим - опускается и поднимается скип - стальной короб для руды или угля. Иногда, если ствол не вертикальный, а наклонный, как эскалаторный тоннель в метро, по нему движется лента конвейера. Но почти во всех шахтных стволах обязательно есть машины для подъема на-гора полезного ископаемого и спуска в шахту людей и машин. Нет машин только в специальных, вентиляционных стволах. Через них мощные вентиляторы нагнетают в шахту свежий воздух.

Внизу от ствола в разные стороны отходят подземные коридоры - штреки. В них уложены рельсы или стоят конвейеры. По этим штрекам к шахтному стволу подвозят уголь или руду.

Если идти по штрекам от ствола, то в конце концов попадешь в забой - туда, где полезное ископаемое отделяют от пласта и грузят на конвейер или в вагонетку.

Для того чтобы штреки и забои, в которых добывают уголь или руду (на угольных шахтах они называются лавами), не были раздавлены огромными массами находящихся над ними горных пород, прорубленные под землей коридоры крепят - подпирают потолок («кровлю») и стенки бревнами, железобетонными рамами, стальными арками. Последние годы в наших шахтах деревянная крепь все больше уступает место железобетонной и стальной. А в угольных лавах работает механизированная, «шагающая» крепь.

Панорама горнорудного бассейна. Джезказган.

Так закреплена лава, в которой добывают уголь.

Подземный завод

Много лет назад в руках у рабочего-забойщика были кайло да лопата. Кайлом он отбивал уголь, лопатой грузил его в тачку или в вагонетку, которую тянула к стволу слепая от вечной темноты лошадь. Сейчас на угольных шахтах забойщик управляет врубовой машиной, горным комбайном, стругом и т. д.

Главная часть врубовой машины - бесконечная (в форме петли) цепь, на которой укреплены острые зубки из твердого сплава. Цепь приводится в движение электромотором, и ею, как пилой, «подрезают» угольный пласт.

Горный комбайн снабжен, кроме режущего уголь устройства, механизмом для погрузки угля на конвейер. Он одновременно разрезает угольный пласт, отбивает от него куски угля, измельчает их и грузит на конвейер.

А угольный струг - это нечто вроде огромного рубанка, которым, протягивая его на стальных цепях и канатах взад и вперед, строгают пласт угля.

каких комбайнов, никаких стругов и конвейеров. Уголь здесь рубят не резцами и зубьями стальных машин, а струей воды. Главная машина на такой шахте - гидромонитор, который похож на пушку с коротким стволом или на огромный пожарный брандспойт.

Вырываясь из ствола гидромонитора под давлением в десятки атмосфер, струя воды ударяет в пласт угля и отбивает от него куски разной величины. Потом поток воды подхватывает этот уголь и по желобам, проложенным в штреках гидрошахты вместо конвейеров, несет его из забоя. Если силы текущей по желобам воды оказывается недостаточно, чтобы нести весь уголь дальше, приходится ставить насосы и качать уголь вместе с водой уже по трубам. А возле ствола поток воды, перемешанный с углем, снова подхватывают мощные насосы и по трубам откачивают воду вместе с углем на-гора. Здесь вода с углем попадает в специальные бассейны - отстойники.

Когда весь уголь, даже самый мелкий, осядет на дно, воду из бассейнов выпускают или гонят по трубам опять в шахту, к гидромониторам. И вода снова проделывает весь свой рабочий путь - идет под напором в шахту, рвется из сопла гидромонитора, рубит уголь,

«везет» его из забоя... Кроме того, вода, находящаяся под большим давлением, крутит сверло, и ее силы хватает, чтобы бурить скважины в угле. Вода вращает вентиляторы, которые гонят свежий воздух в отдаленные забои. Вода вертит даже маленькую динамо-машину, дающую энергию для освещения штреков.

Уголь, добытый на гидрошахтах, получается дешевле - на таких шахтах меньше сложного оборудования, меньше машин, меньше тратится энергии.

Кроме полезного ископаемого, из шахты приходится везти на поверхность пустую породу, которая окружает в недрах земли полезное ископаемое. Из этой пустой породы и образуются высокие конусы - терриконы, по которым всегда легко издалека опознать шахту. Издалека виден и копер - башня над шахтным стволом, в которой расположена машина, поднимающая и опускающая клеть или скип.

На рудниках, в которых добывают железную, медную, никелевую и другие крепкие руды, в забоях не работают комбайны, струги, гидромониторы. В забои таких рудников первыми приходят бурильщики. Перфораторами или буровыми станками они сверлят в каменной стене отверстия. Затем в забой приходят взрывники. Они закладывают в скважины патроны с взрывчаткой. Потом все покидают забой. По проводам взрывник посылает электрический ток в запал. Взрыв - и часть стенки забоя превращается в раздробленные куски руды.

После того как вентиляторы очистят воздух в забое от образовавшихся во время взрыва газов, туда въезжает погрузочная машина. Она грузит отбитую руду в вагонетки. Как только все вагонетки заполнятся рудой, электровоз мчит их по штреку к стволу.

В последние годы на рудниках работает все больше самоходных безрельсовых машин - буровые станки, экскаваторы и погрузочные машины, самоходные вагонетки, самосвалы. Горняк становится машинистом, который только управляет машиной, ухаживает за ней. Значительную часть шахтерского труда взяла на себя автоматика. Например, на Дегтярском медном руднике на Урале многие машины и механизмы работают без машиниста. На дверях зала, в котором находится подъемная машина, висит замок: машиниста нет, а механизм исправно выдает на-гора сверкающую блестками медного колчедана руду. Безо всяких машинистов работают громадные насосы, день и ночь откачивающие подземную воду, чтобы она не затопила рудник.

Всем этим сложным хозяйством управляет один человек - диспетчер. Перед ним пульт с множеством приборов и телевизионным экраном. Глядя на экран и на приборы, диспетчер всегда может определить, как работает тот или иной механизм. А если нужно - и вмешаться в его работу.

Ученые и инженеры проектируют сейчас шахты будущего, которые войдут в строй через пять - десять лет. На этих шахтах автоматика будет еще более полновластной хозяйкой, а людей под землей почти не будет.

Открытое небо над головой горняка

Есть и другой способ вывести горняка из-под земли - открытые разработки. И если в 1958 г. в СССР этим способом добывали менее половины железной руды, то в 1965 г.- больше двух третей. То же самое относится к медной, свинцовой, никелевой и многим другим рудам. Все шире развивается открытая добыча каменного, а особенно бурого угля, фосфоритов, серы и других полезных ископаемых. И нередко там, где вчера еще стали бы строить шахту, сегодня строят карьер. А это значит - полная безопасность и чистый воздух для шахтеров, применение в производстве самых могучих машин и самые дешевые руда и уголь.

Но дешевыми они будут, только если вопрос о том, что строить на новом месторождении

На Джезказганском руднике под землей работают мощные машины. Экскаваторы грузят руду в грузовики-самосвалы, а те отвозят ее к стволу (справа). Отсюда подъемники

шахту или карьер, решен правильно. А для этого сперва надо подсчитать, сколько пустой, бесполезной земли нужно вынуть из недр, чтобы добыть один кубометр полезного ископаемого. Если два-три кубометра, то дело ясное: нужно строить карьер. Если 30-40 кубометров, то заведомо придется строить шахту. А вот если больше, чем два-три, и меньше, чем тридцать- сорок, то тут уж требуется точный расчет, окупит ли добытая в карьере руда расходы на пустую породу.

С каждым годом советские машиностроители выпускают все более могучую технику, которая делает все более дешевым строительство карьеров. И потому с каждым годом увеличивается число кубометров пустой породы, приходящееся на кубометр руды, при котором выгодней строить карьер, чем шахту. Рост техники помогает карьерам отвоевывать у шахт все новые и новые месторождения.

Но бывает и так, что на кубометр руды приходится всего два кубометра грунта, а карьер все-таки строить невыгодно. Так получается в том случае, когда богатый пласт полезного ископаемого залегает слишком глубоко, и, прежде чем удалось бы добраться до него, пришлось бы десятки лет строить карьер. Тут уж надо строить шахту.

Для строительства современного карьера, такого, например, как Лебединский на Курской магнитной аномалии, нужны самые высокопроизводительные землеройные машины, самый высокопроизводительный транспорт. Ведь чтобы добраться до рудной залежи не узким колодцем шахтного ствола, а широченным кратером карьера, нужно снять всю «крышку сундука», в который природа спрятала свое сокровище. А эта «крышка» на том же Лебединском месторождении КМА весила 32 млн.m!

Лебединский карьер помогли строить... корабли. Правда, не обычные корабли, а плавучие земснаряды. Сначала в «крышке сундука» над залежью прекрасной железной руды экскаваторы выкопали большую яму - котлован. Когда котлован заполнили грунтовой водой (а подземной воды на КМА - целое море), туда спустили собранные прямо в степи земснаряды.

Плавучий земснаряд - это небольшой корабль с ажурной стрелой, как у подъемного крана. К стреле прикреплена тупоносая стальная фреза. Когда стрела опускается, фреза упирается в дно котлована и, вращаясь, разрушает это дно. Куски разрушенной породы вместе с водой затягиваются в воронку землесоса и мощными насосами по трубам выносятся из котлована далеко в степь. Три плавучих земснаряда помогли быстро снять «крышку» с Лебединского клада, или, как говорят горняки, «вскрыть месторождение».

Но, как правило, карьеры строят с помощью экскаваторов и автомобилей-самосвалов или электровозов с самоопрокидывающимися вагонами-думпкарами. Экскаваторы постепенно срывают породу над залежью, а самосвалы или электровозы с думпкарами отвозят ее в сторону от будущего карьера и сбрасывают в отвал.

Если «крышка» состоит не из песка или глины, а из твердых пород, например крепкого известняка, то камень сначала взрывают.

Меньше людей, больше машин

Но вот карьер построен. Сейчас он напоминает гигантский стадион: огромные уступы суживающейся лестницей спускаются к его дну.

По транспортно-отвальному мосту порода ссыпается в отвал.

Теперь можно приступить к добыче полезного ископаемого.

Посмотрим, как идет работа на одном из новых криворожских карьеров - на Южном горно-обогатительном комбинате. Кстати, в Криворожском бассейне, где добывается чуть ли не половина всей железной руды в нашей стране, десять лет назад не было ни одного большого карьера. Почти всю руду добывали в рудниках. Сейчас здесь уже построено пять огромных карьеров и строятся еще два.

В 1965 г. на криворожских карьерах стали добывать столько же руды, сколько ее дают все подземные рудники этого бассейна, существующего уже почти столетие.

Если подойти к краю карьера и заглянуть вниз, то огромный кратер покажется совершенно безлюдным. Здесь действительно очень мало людей - значительно меньше, чем в руднике, хотя карьер дает руды много больше, чем самый большой рудник.

Люди управляют здесь гораздо более крупными и мощными машинами. Перфоратор, которым бурильщик под землей сверлит скважину, можно легко перенести из одного забоя в другой. А вот то, чем бурят скважину на Криворожском карьере, на плече не унесешь. Буровой станок СБО весит 35 т. С завода его привезли на железнодорожной платформе, а по карьеру он передвигается на гусеницах, как танк. Над гусеницами возвышается кабина и высокая ажурная мачта станка. СБО - это значит «станок буровой огнеструйный».

Вот машинист СБО по показаниям приборов проверяет на пульте давление кислорода, керосина и воды и включает станок. Прикрепленная к мачте станка реактивная горелка опускается к самой земле (точнее, к поверхности кварцитового уступа), из ее сопел с грохотом вырывается раскаленная багровая струя газов. Минута - и горелка входит в крепчайшую скалу, как нож в масло. Грохот превращается в еле пробивающийся из-под земли гул. Только по белому пару, клубящемуся над скважиной, видно, что станок работает.

На других уступах карьера буровых станков не видно. Они уже сделали там свое дело -

пронизали скалу сетью скважин. Потом эти скважины заполнили взрывчаткой, руду взорвали. Там теперь работают экскаваторы. Огромным ковшом, в котором помещается сразу 10-12 т, экскаватор зачерпывает раздробленный кварцит и грузит в вагоны-думпкары стоящего рядом на железнодорожном пути состава. В каждом думпкаре помещается около 100 т руды. Могучий электровоз - примерно такой же, какие ходят по обычным железным дорогам,- с трудом трогает длинный состав с места.

Конечно, такие думпкары, такие электровозы, такие экскаваторы не идут ни в какое сравнение с шахтными вагонетками, шахтными электровозами, шахтными погрузочными машинами: они в десятки раз больше и в сотни раз мощнее.

При этом не надо забывать, что четырехкубовый карьерный экскаватор, о котором шла речь, отнюдь не самый крупный из работающих на советских рудниках. Карьеры Соколовско-Сарбайского месторождения в Казахстане вырыты шагающими экскаваторами с ковшом объемом 14 м³ .

А на Уралмашзаводе в Свердловске проектируют машины еще более гигантских размеров с ковшами на 50 и 80 м³. Не всякий вагон поднимет столько руды, сколько поместится в таких ковшах. Гиганты экскаваторы будут ссыпать выкопанный ими грунт прямо в отвал. А для того чтобы порода из отвала не помешала работе карьера, у шагающих экскаваторов имеется стрела длиной 75-100 м. На такое расстояние они могут отнести наполненный грунтом ковш. Стоит только посмотреть на шагающий экскаватор - и сразу становится понятным, почему карьер намного производительнее шахты. Невозможно даже представить себе такую махину под землей.

За последние годы все больше карьеров строят без железнодорожных путей. Вместо электровозов и думпкаров там работают автомашины. В этом есть свои преимущества. Ведь в отличие от завода на карьере (как и на шахте) рабочее место - забой - все время движется. Выкопают руду в одном месте и переходят в другое. Экскаватору или тем более автомобилю передвинуться на новое место - дело недолгое и достаточно простое. А переносить железнодорожные пути труднее.

Разумеется, для того чтобы работать в паре с карьерными экскаваторами, нужны очень большие автомобили. Чем больше ковш экскаватора, тем больше должен быть и кузов автомобиля, иначе экскаватор не сможет набирать полезное ископаемое полными ковшами. Сейчас на карьерах вместе с четырехкубовыми экскаваторами Уралмашзавода работают самосвалы-гиганты. В их стальные кузова можно нагружать по 25-27 т. Белорусский автомобильный завод, который специализировался на выпуске таких автомобилей, уже делает сорокатонные самосвалы и готовится к выпуску еще более крупных машин.

Непрерывное действие

Но, оказывается, машины, о которых сейчас шла речь,- и экскаваторы, и электровозы, и автосамосвалы - не самые совершенные из существующих. Автомобиль сначала стоит под погрузкой, потом едет с грузом, потом разгружается, потом порожняком возвращается к экскаватору. Полезная работа тут только поездка с грузом, а все остальное - потеря времени. У железнодорожного транспорта - то же самое, только при погрузке и разгрузке теряется времени еще больше. У экскаватора

БОГАТЫРЬ ИЗ МИНСКА

Рядом с этим богатырем даже 40-тонный самосвал выглядит недоростком. Приняв в кузов 65т груза, он мчится по шоссе со скоростью 55 км/час .

Далеко и широко вокруг виден путь из кабины водителя. Громадная машина беспрекословно послушна каждому движению рук шофера. Навстречу богатырю бегут автомашины разных марок. И все они кажутся рядом с ним пигмеями. Создатели этого богатыря - минские автомобилестроители.

С грузом минский богатырь весит 104т. Небывалый вес! Такая машина появилась в нашей стране впервые. Она оснащена гидромеханической трансмиссией и пневмогидравлической подвеской. Основой конструкции послужил 27-тонный самосвал. А мощность мотора такая же, как и у 40-тонного.

Обычно грузоподъемность самосвалов равна их собственному весу. А минский богатырь и в этом их перещеголял. Его грузоподъемность - 1т на 600кг собственного веса.

Богатырь из Минска «БелАЗ-5488» скоро появится на открытых разработках полезных ископаемых. Он заменит десятки менее мощных грузовых машин.

большая часть времени уходит на перенос ковша от забоя к думпкару или самосвалу, а на собственно копание - значительно меньше.

Для всех этих машин характерна работа с перерывами, они периодического действия. Но есть на карьерах и машины непрерывного действия. Самый мощный у пас в СССР комплекс машин непрерывного действия работает сейчас на строительстве большого карьера им. Шевченко на Украине, в районе г. Никополя. Карьер будет добывать марганцевую руду.

Главная машина комплекса - роторный экскаватор. Его назначение - копать песок и глину, под толщей которых скрыт марганцевый пласт, и грузить их на транспорт. Но делает это роторный экскаватор совсем не так, как обычные экскаваторы. На конце его ажурной стальной фермы насажен ротор - колесо, по окружности которого прикреплен десяток ковшей-черпаков. Когда колесо вращается, ковши один за другим зачерпывают песок или глину и высыпают их на непрерывно движущуюся по ферме ленту конвейера. Непрерывный поток грунта мчится вместе с лентой прочь от роторного колеса, высыпается на следующий конвейер. Он расположен на ферме другой машины комплекса. Она называется транспортно-отвальным мостом и в самом деле похожа на мост. Только он переброшен не через воду, а через сушу. Этот конвейер переносит грунт через весь карьер и ссыпает в отвал.

За один час роторный экскаватор выкапывает и грузит на конвейер 3000 м³ грунта - больше, чем тысяча землекопов за целый день. Больше, чем десять четырехкубовых экскаваторов.

Здесь нет ни порожних рейсов, ни потерь времени на погрузку и разгрузку. Людей на таком комплексе машин еще меньше, чем в любом карьере. Здесь люди нужны лишь для того, чтобы следить по приборам за правильностью работы машин, за их исправностью, заменять изношенные детали и аппараты. Здесь очень много автоматики.

Машины непрерывного действия работают пока только на сравнительно мягких породах. Роторные экскаваторы не приспособлены для погрузки твердого камня. Но уже разработаны первые проекты карьерных погрузочных машин непрерывного действия для скальных пород. Увеличивается и мощность этих машин. Советские машиностроители проектируют роторные экскаваторы производительностью 8 и 12 тыс.м³ /час.

Нефтяные вышки уходят все дальше в Каспийское

СО ДНА МОРСКОГО

Далеко в море ушли вышки нефтяного Баку. Под Каспием на глубине нескольких километров геологи обнаружили еще одно море - нефтяное. Чтобы добраться до него, пришлось сооружать искусственные острова. Буровые мастера, привыкшие к борьбе с неподатливыми недрами земли, встретились здесь с новой стихией - морской. И победили ее.

В некоторых странах неподалеку от берегов под морским дном также обнаруживали

Шахту для добычи угля из-под морского дна строят на берегу.

Ствол прокладывают до тех пор, пока он не опустится ниже

уровня дна. Затем прокладывают штрек к рудному телу или

угольному пласту - и можно начинать добычу.

полезные ископаемые. В Англии, например, многие угольные шахты, стволы которых расположены на суше, протянули свои штреки далеко в море. На о-ве Ньюфаундленд (Канада) есть большой рудник Вобана, в котором из-под океанского дна добывают железную руду. Наверху бороздят Атлантику корабли, а под ними электровозы тянут вагонетки с рудой...

Нефтяные, угольные и железорудные месторождения, о которых идет речь, - это, по существу, продолжения обычных материковых месторождений. А что делается под «настоящим» глубоким океанским дном, пока еще неизвестно. Люди только начинают разгадывать загадки земли, упрятанные природой под воду. Но и то, что уже известно о богатствах океана, поражает воображение. Огромные площади океанского дна покрыты сплошным слоем железомарганцевых руд с примесями многих других металлов. Кобальта в этих рудах в тысячу раз больше, чем в известных месторождениях материков. А марганца там десятки миллиардов тонн.

Человек не может оставить такое богатство на дне морском. И хотя сейчас еще преждевременно писать о конкретных способах добычи полезных ископаемых со дна и из-под дна океана, одно совершенно ясно: в недалеком будущем рядом с нефтяными и газовыми скважинами, с шахтами и карьерами станут в строй их разнообразные океанские собратья.

КАК ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ СТАНОВЯТСЯ «ЕЩЕ БОЛЕЕ ПОЛЕЗНЫМИ»

Не так уж часто добытое из земных недр ископаемое можно сразу пускать в дело. Прежде чем выданный на-гора каменный уголь пойдет в топку, его надо освободить от примесей глины, известняка, песка. Да и почти все твердые полезные ископаемые прежде всего подвергают операции, которая называется обогащением.

В Криворожском карьере, о котором было рассказано выше, добывается железистый кварцит. Железа в нем не больше 45%, а остальное - в основном кварц. Поэтому электровоз тянет думпкары, наполненные в карьере кварцитом, не на металлургический завод, а на обогатительную фабрику.

Сразу после того, как думпкар опрокидывает свой кузов над зияющей ямой приемного бункера фабрики, руда первым делом попадает в громадную стальную башню, покрытую изнутри толстой броней. В башне ходит стальной конус, который, прижимая кварцит к броневым плитам стенок, раскалывает каменные глыбы, словно орехи. Эта стальная башня называется конусной дробилкой. В нее поступают куски камня размером иногда метра полтора, а выходит крупный щебень. Щебень попа-

Схема магнитного способа обогащения руд. Сначала РУДУ дробят, а потом сортируют на магнитном сепараторе. Пустая порода сразу ссыпается. Полумагнитная сначала прилипает к барабану, а потом под действием центробежной силы отбрасывается и попадает в бункер. Магнитная же порода остается на барабане, с которого ее очищают специальные

дает в следующую дробилку - поменьше. Из нее конвейер выносит мелкую щебенку и снова высыпает ее в дробилку, на этот раз последнюю. Там получается кварцитная «крупа».

Из дробильного цеха кварцитную «крупу» направляют в измельчительиый. Там крутятся огромные мельницы - цилиндры, наполненные стальными или чугунными шарами, похожими на ядра старинных пушек. Эти шары истирают кварцитную «крупу» в порошок. Получается каменная «мука». В этой темной «муке»

одни частицы - кварцитные, а другие - из магнитного железняка. Теперь остается отделить их друг от друга.

Эту работу делает машина, снабженная специальными магнитами. Поток воды, смешанный с мукой из железистого кварцита, проходит между магнитами, и они, притягивая к себе пылинки магнитного железняка, направляют их в одну сторону, а частицы немагнитного кварца уходят в другую. Машина эта называется магнитным сепаратором. Пройдя магнитный сепаратор, каменная «мука» разделяется на два сорта - в одном очень много пустой породы и очень мало железа, зато в другом, наоборот, очень много железа и очень мало кварца. Этот богатый металлом продукт называется железным концентратом. Он на две трети состоит из чистого железа.

Но на этом превращения руды на комбинате не кончаются. Для того чтобы при плавке сквозь концентрат хорошо проходил кислород, порошок надо снова превратить в куски. Этот процесс так и называется - окускование. Есть разные способы окускования концентратов, но все они сводятся к тому, что мельчайшие частицы спекают. Для этого железный концентрат смешивают с коксом и известняком и сильно нагревают. Так из концентрата получают агломерат - жесткие дырчатые куски «корма» для доменных печей.

Теперь можно пустить руду в плавку. Но о том, как это делается, вы прочитаете в статьях раздела «Как получают и обрабатывают металлы».

ДОБЫЧА И ОБОГАЩЕНИЕ РУД ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Цветными металлами занято большинство клеток менделеевской таблицы - три четверти. Правда, на их долю приходится только одна пятая вещества земной коры, но и это, впрочем, означает миллиарды миллиардов тонн. Однако человека в первую очередь интересуют доступные сокровища. Всего лишь одну тысячную процента земной коры по весу составляют скопления сульфидных руд, в которых металлы соединены с серой. А это и есть главные поставщики большинства цветных металлов. Но не всех. Алюминий скрывается в бокситах и в некоторых других горных породах. Торий предпочитает обычно так называемые монацитовые пески...

Месторождения бывают всякими. Иногда это самая обычная на вид гора. В Армении именно так выглядят залежи алюминиевого сырья - нефелиновых сиенитов. Иногда месторождение - это толстый, длинный и широкий массив, пласт руды, например медной, как в Джезказгане (Казахстан). А в рудоносных породах Алтая, как в огромном плоде граната, на глубине от нескольких метров до сотен и даже тысяч метров щедро посажены драгоценные зерна, отделенные прослойками пустой породы. В каждом из них - тысячи тонн полиметаллической руды, в которой и серебро, и свинец, и цинк, и многое другое.

Золото, вольфрам, торий, редкоземельные металлы часто прячутся в песках. А есть среди цветных металлов и такие, о залежах которых вообще нельзя говорить. Вот, например, рений, один из самых стойких в химическом отношении элементов. У него нет «своей» руды. Приходится получать его из отходов молибденового производства. А германий считают выгодным добывать из... золы тепловых электростанций. Этот сверхрассеянный металл был когда-то собран из почвы растениями, превратившимися потом в каменный уголь.

Каждый вид залежи разрабатывают по-своему. С горой дело решается просто: взрывай камень да увози на переработку. Но чаще всего руды прячутся за щитом пустой породы. Приходится этот щит разбивать, конечно, если он не слишком толст. Это открытый способ разработки месторождений. Часто щит разбивают мощными взрывами. Обломки после взрыва убирают экскаваторы, транспортеры, автомашины, электровозы - в зависимости от условий разработки. А иногда и с уборкой справляется тот же взрыв - когда его удается сделать направленным. Тогда он не только разрыхляет породу, но и выкидывает ее в заранее назначенное место. Порой, когда породы на пути к сокровищам мягкие, наоборот, экскаваторы сами вгрызаются в щит, а затем убирают пустую породу.

Совсем по-другому добывают металлы из песков. Возьмем, к примеру, золотоносные пески. Они лежат, как правило, в руслах рек. Поэтому за золотом отправляют «в плавание» своеобразные корабли - драги, захватывающие со дна драгоценные пески черпаками вместимостью в двести - триста с лишним литров. Для того чтобы запустить драгу, иногда специально строят плотины, повышающие уровень воды в районе разработки россыпи. Драга - сложное Сооружение, плавающее на большом понтоне. На носу у нее установлены черпаки, захватывающие песок, на корме - конвейер, по которому песок после промывки перебрасывается «за борт», в отвал. Иногда выгодно использовать сплошную струю воды непосредственно в россыпи. В этом случае струя воды захватывает порцию ценных песков, переносит ее к месту переработки и промывает пески на специальных промывных устройствах.

Нельзя не сказать еще об одном способе добычи цветных металлов - из воды. Легчайший металл литий, например, добывают из озерной воды, в которой растворены его соединения. На Дегтярском руднике на Урале медь добывают из грунтовых вод. Раствориться в воде ей помогли триллионы бактерий, окисливших нерастворимые соединения меди с серой в растворимую сернокислую медь - медный купорос. Грунтовые воды, проходя через месторождение,

На прииске в Якутии. Работает драга - агрегат для добычи золота.

Измельчительный цех Каджаранского медно-молибденового комбината (Армянская ССР).

растворяют медный купорос и уносят его на поверхность. Теперь надо только заменить в растворе медь на железо и выделить чистую медь.

Словом, немало на свете способов добычи руд цветных металлов. Однако многие руды сразу не отправишь в плавильные печи. Сначала они должны пройти процесс обогащения на специальных фабриках.

С обогащением железной руды вы уже познакомились. Начало процесса обогащения руд цветных металлов такое же: прежде всего их надо раздробить на куски и размолоть. Но дальше приходится поступать по-другому: медь не притягивается магнитом. Наиболее распространенный способ обогащения цветных металлов - флотация.

Хотите узнать, что это такое? Бросьте в стакан с водой виноградину. Удельный вес

виноградины больше удельного веса воды, поэтому она сначала утонет. Но вскоре всплывет вся покрытая мелкими пузырьками газа, превратившимися в «поплавки». На этом же свойстве основана и работа флотационной машины, так как пузырьки газа прилипают и к зернам многих ценных минералов. В специальных чанах через смесь руды с водой, в которую добавлены особые вещества - пенообразователи, прогоняют воздух. Образуется огромное количество пены. Она делает плавучими тяжелые серебро, медь, свинец и оставляет на дне более легкие, но «не умеющие» плавать примеси.

Любой метод обогащения основан на использовании каких-то свойств, которыми обладает руда и не обладает пустая порода. В струе воды или более тяжелой жидкости частицы разделяются по весу. Обогатители научились отделять руду цветных металлов от пустой породы по разнице в способности сохранять электростатический заряд, по различию в форме частиц, в коэффициенте трения их при движении и т. д.

Теперь, после того как мы обогатили руду, ее можно отправить на выплавку. О том, как это делается, какими способами металлурги получают сейчас цветные металлы, вы узнаете, прочитав статью «Получение цветных металлов».

Схема флотационного способа обогащения руды. Измельченную руду в классификаторе смешивают с водой. Специальные вещества способствуют прилипанию к частицам пузырьков воздуха. Пена, содержащая пузырьки и частицы руды, всплывает, ее обезвоживают и получают концентрат.

ОТКУДА БЕРУТСЯ АЛМАЗЫ

Одно из самых замечательных полезных ископаемых - алмазы.

Алмазы известны с глубокой древности. Уже тысячи лет назад они привлекали внимание людей своей красотой. Короны и скипетры царей были украшены сверкающими бриллиантами - гранеными алмазами. Но с конца XIX в. алмазы стали ценить уже не только за их красоту, но и за твердость. Был изобретен алмазный бур - и оказалось, что он бурит твердый камень много быстрее любого другого бура. Появились шлифовальные круги с алмазной крошкой - и оказалось, что они шлифуют неподатливые металлы лучше любых других шлифовальных кругов. Были созданы алмазные резцы - непревзойденный инструмент для обработки сверхтвердых сплавов. Из драгоценной безделушки алмаз превратился в важнейший и притом незаменимый материал для промышленности. Для технических надобностей широко используются такие алмазы, которые непригодны для ювелирных изделий - мелкие, не очень чистые и т. д.

Алмазы родились глубоко под землей, когда раскаленная магма прорывала земную кору, образуя в ней своеобразные трубы, похожие на жерла вулканов. Эти жерла (геологи называют их трубками взрыва) бывают заполнены глиной голубоватого цвета. По имени Кимберли - места в Южной Африке, где ее впервые обнаружили, голубоватую глину назвали кимберлитом. Именно здесь прячутся драгоценные кристаллы, образовавшиеся при застывании расплавленной магмы в толще богатых углеродом пород.

Долгое время алмазоносные трубки были известны только в Южной Африке - здесь кимберлит выходил прямо на поверхность.

А во всех других местах - в Бразилии, Индонезии, Австралии, у нас на Урале - алмазы находили только по берегам рек, в каменных россыпях. Вода унесла алмазы далеко от того места, где они когда-то находились, и разбросала вдоль русла рек. Лишь почти через сто лет после открытия алмазов в Южной Африке удалось найти новые алмазные трубки - в краю, который меньше всего похож на южноафриканские степи,- в Якутии.

Алмазоносную глину добывают здесь открытым способом - экскаваторами и бульдозерами. Россыпные месторождения алмазов в руслах рек можно разрабатывать с помощью драг, как и золотые россыпи.

Чтобы извлечь алмазы из глинистой породы, ее пропускают через дробилки с упругими подшипниками - их валки размалывают глину, но не могут повредить твердого алмаза. Измельченную глину промывают водой: куски, в которых прячутся алмазы, будучи более тяжелыми, опускаются на дно. Для того чтобы отделить алмазы от оставшейся молотой глины, ее подсушивают, а затем пропускают через вибрирующие столы, смазанные вазелином. Пустая порода скатывается, алмазы прилипают.

Алмазы, добытые во всем мире за целый год, можно увезти на одной пятитонке. Но значение их для техники огромно. Американские экономисты считают, например, что если бы Соединенные Штаты внезапно лишились алмазов, которые они получают из Африки, то их промышленная мощь сразу же снизилась бы наполовину.

А между тем драгоценный алмаз - это всего-навсего углерод. С точки зрения химика, чистый уголь, графит и алмаз - одно и то же. Вся разница только в том, что атомы углерода сложены в них по-разному. То, что алмаз - чистый углерод и ничего больше, известно уже полтораста лет. Но «складывать» атомы углерода в кристаллы алмаза люди научились лишь совсем недавно. Надо было искусственно воссоздать условия, при которых алмазы образовались в недрах земли. А для этого понадобилось нагреть углерод до нескольких тысяч градусов и сжать под давлением в несколько сот тысяч атмосфер. Несколько лет назад ученым в нашей стране и за рубежом удалось сконструировать специальные устройства, в которых можно создавать такие условия. Искусственные алмазы по своей твердости ничуть не уступают естественным.

В последней статье этого раздела мы расскажем о заготовке древесины. Разумеется, лес - это не ископаемое сырье. Однако древесина наряду с нефтью и углем, железной рудой и сланцами, газом и бокситами играет огромную роль

в различных отраслях хозяйства. Лес - важное сырье химической промышленности, без древесины не обходятся строительство, бумагоделательные, мебельные и многие другие предприятия.

ТЕХНИКА ПОМОГАЕТ РУБИТЬ ЛЕС И ЗАГОТОВЛЯТЬ ДРЕВЕСИНУ

Ручная пила да топор, да еще лошадка, впряженная в сани,- вот и вся «техника» лесоруба в недалеком прошлом. Непрерывная цепь машин и механизмов, сопровождающих дерево от пня в лесу до фанерного, вискозного, бумажного, химического комбината,- такова лесная техника сегодня.

Давайте проследим весь путь дерева - от леса до предприятия, где оно поступает на переработку.

Лесоруб приходит к дереву вооруженный бензомоторной пилой. Три лошадиные силы, скрытые в бензиновом моторчике пилы, приводят в движение бесконечную цепь с крепкими зубьями, которые быстро подпиливают дерево. Затем в пропил вставляют металлический клин. Тот же мотор пилы раздвигает боковые стороны клина и валит дерево. За дело берутся лебедки. Канаты захватывают деревья, втаскивают их на специальные трелевочные тракторы, которые вывозят деревья из чащи леса к узкоколейным лесовозным дорогам.

Но не слишком ли это долгий и сложный путь? Нельзя ли соорудить универсальную машину, способную выполнять сразу несколько рабочих операций? Конечно, можно. Советские конструкторы уже создали машины такого типа. Это валочно-погрузочные комбайны. Они сейчас применяются все шире и шире.

Внешне лесной комбайн похож на мощный экскаватор. Только у экскаватора на стреле подвешен ковш, а здесь - мощный захват, который своими челюстями зажимает дерево на любой высоте, где удобнее. В нижней части комбайна - пила. Спиленное дерево не падает на землю, его цепко держит захват. Мощная «рука» комбайна переносит дерево и мягко укладывает его на автоприцеп.

Теперь надо позаботиться о вывозке срубленных деревьев из лесу. И в первую очередь следует проложить дороги. Старинная пословица недаром говорит: не конь везет, а дорога. Поэтому прокладывают тысячи километров лесовозных дорог, строят мосты и насыпи, узкоко-

Трелевочные тракторы вывозят деревья из чащи леса к железным дорогам.

Так на лесных складах переносят стволы. Эта машина называется манипулятором, а приспособление для переноски стволов - челюстным захватом.

лейные железные дороги, выстилают путь бревнами, кладут бетонные плиты или утрамбовывают снег и намораживают слой льда, готовя ледяные дороги. Все это люди делают, конечно, с помощью машин - автомобильных подъемных кранов, бульдозеров, тракторов, специальных машин, трамбующих и замораживающих снег, и т. д.

Следующий этап - первичная обработка срубленных стволов. С них надо снять сучья, ветки, кору, распилить. Делают это на участке, где дерево спилено, или на специальных лесных складах. Ясно, что на складах эти операции сделать легче, удобнее и дешевле. Ведь здесь можно установить более мощные, стационарные машины, подвести электроэнергию. На участках могут работать только переносные бензомоторные сучкорезки, а на складах - мощные сучкорезные станки и автоматические пилы. Окорочные станки «раздевают» здесь дерево, снимают с него кору. Именно снимают - металлические кулачки с силой прижимаются к бревну и сдвигают, стаскивают, сдирают шершавый покров деревьев.

В лесу обычно всегда оставалось громадное количество «отходов»: сучья, вершины, обрезки бревен, опилки, хвоя. В нашей стране с огромным лесным хозяйством одних только сучьев собирали в кучи и сжигали десятки миллионов кубометров. Это, конечно, очень невыгодно. Пропадало ценнейшее сырье, необходимое химическим заводам, бумагоделательным комбинатам, предприятиям строительной индустрии и т. д. Теперь на тех складах, куда деревья привозят целиком, с кроной, такие «отходы» собирают полностью.

Отсюда их отправляют на различные предприятия, где из них делают витаминную хвойную муку и лечебные хвойные пасты, древесный спирт, древесностружечные плиты для строительства и многое другое. А некоторые лесные склады сами частично перерабатывают отходы. Для этого здесь устанавливают прессы, из которых выходят плотные строительные плиты, мельницы для размола сухой хвои, всевозможные дробилки и сушилки для щепок, стружки и коры.

Однако потери древесины при добыче и заготовке леса еще велики. Ученым, инженерам, конструкторам предстоит очень многое сделать в этой области: придумать и построить новые машины, более рационально организовать весь производственный процесс.

Но вернемся к рассказу о странствиях срубленного дерева. Итак, его спилили, очистили и вывезли из лесу. Что же с ним происходит дальше?

Дальнейший путь лесного богатства проходит главным образом по рекам и озерам. В трюмах речных и озерных судов перевозят древесину только наиболее ценных пород, а также готовые шпалы и доски. Большую часть древесины сплавляют по рекам в больших плотах - до полукилометра длиной. Такой плот - это многие тысячи кубических метров. Трудно вручную «построить» эту плавучую громадину, связать бревна проволокой в пучки, а затем соединить отдельные пучки металлическими канатами. Сейчас все больше эта работа поручается ма-

Большую часть древесины сплавляют по рекам в плотах до полукилометра длиной. Такие плавучие громадины теперь формируют с помощью машины, которую вы видите на фотографии.

шинам. Очень хорошо, например, выполняет ее плавучий сортировочно-сплоточный агрегат. Это замечательное устройство работает автоматически, фотоэлементы измеряют длину бревен - они могут быть от 4 до 6,5 м и более. Нажатием кнопки рабочий отправляет бревно к одному из транспортеров агрегата. Как только в конце транспортера накопится достаточное количество бревен, включаются лебедки и механизмы, которые сжимают пучок бревен, обвязывают его проволокой, обрубают проволоку и выталкивают пучок к месту сборки плота.

И вот, наконец, лес плывет по реке. Но машины продолжают помогать человеку и здесь. Буксиры тянут плот. Плавучие землесосы углубляют дно, срезают отмели, копают небольшие каналы, спрямляют русла рек и подготавливают лесу прямую дорогу. Плавучие подъемные краны, вооруженные клыками-захватами, подымают затонувшие бревна, освобождая мелкие места и конечные пункты сплава от «топляков» - лежащих на дне бревен. Гидравлические ускорители - трехлопастные винты, вращаемые электромоторами,- создают искусственное ускоренное течение, подгоняя бревна там, где их сортируют, соединяют в плоты или выгружают. А на берегу к машинам фабрик и комбинатов, которые будут перерабатывать древесину, лес понесут плавучие и наземные

подъемные краны и бревнотаски - бесконечные тросы со скребками-захватами.

И вот, наконец, наступает последняя операция, на которой дерево оканчивает свою жизнь, превращаясь в пиломатериалы.

«Блестящий диск пилы выбрасывал фейерверк желтых опилок». Такая или почти такая фраза очень часто «украшает» рассказы и очерки о лесозаготовках и деревообработке. Но цифры докладывают: ежегодно миллионы кубометров отличной древесины превращаются в прах и дым. Разумеется, опилки не только сжигают. Мебельщики набивают прессованными опилками многослойные стенки и крышки шкафов, столов, диванов. Опилки смешивают с бетоном и полимерами, получая строительный материал. Из них делают глюкозу, спирт, дрожжи.

И все же пусть их будет поменьше. Но можно ли пилить без опилок? Ответ напрашивается сам собой - надо пилить пилой без зубьев. Тем более, что «беззубая пила» хорошо освоена человечеством - это обыкновенный нож или ножницы. Инженеры попытались сделать «древесные» ножницы - стальные заостренные клинья, сжимаемые с помощью специальных гидроцилиндров. Это делается так: тракторный двигатель приводит в действие насос, который качает жидкость в гидроцилиндр, жидкость давит в цилиндре на поршень, поршень ползет

вперед, и клин перерезает дерево. «Тракторные ножницы» уже работают, но они очень громоздки, и соревнование с ними пока, безусловно, выигрывает легкая и проворная пила.

Пытаются резать древесину и ножами. Но не простыми, а вибрирующими. Электрические вибраторы делают 10 тыс. колебаний в минуту и заставляют дрожать мелкой дрожью нож. Вибрирующий нож передней кромкой лезвия режет брусок, и одновременно боковые стороны ножа уплотняют древесину. Место разреза получается чистым, гладким, опилок нет. Такой нож хорошо режет дощечки толщиной до двух сантиметров, но перед бревнами и досками он бессилен.

В роли пилы способна выступить и струя воды! Сжатая в компрессоре давлением в несколько тысяч атмосфер, она вылетает из крохотного отверстия «водяной пушки» с такой силой, что ее тончайшая серебристая струйка легко, словно бритва бумагу, перерезает ствол дерева.

Пока все эти способы испытываются лишь на опытных установках. Но ученые и конструкторы продолжают работать, ищут новые методы

и пути. И несомненно, скоро получат путевку в жизнь новые, более экономичные лесопильные машины и механизмы.

Вот деревья и закончили свое механизированное путешествие. Дальше путь их лежит на заводы и фабрики, где умелые руки людей, вооруженные замечательной техникой, превратят древесину в бумагу и искусственное волокно, в уксусную кислоту и пластмассу, в мебель, паркет и двери для новых домов и во многое, многое другое. А на те участки, где лесорубы срубили ели и сосны, пихты и кедры, березы и лиственницы, приходят специалисты-лесоводы. Они высаживают здесь молодые деревца и бдительно охраняют их, пока те не превратятся в могучих многометровых великанов. Это необходимо не только для того, чтобы источник древесины не иссякал. Ведь лес - это и хороший климат, и чистый воздух, и полноводные реки, и драгоценная пушнина, и различная дичь. Об этой стороне жизни леса и о том, как надо охранять нашего «зеленого друга», вы узнаете из статей «В лиственном лесу», «Растительный мир тайги», «Охрана леса и насаждений», «В защиту зеленого друга», помещенных в т. 4 ДЭ.

На открытой разработке (в карьере). Внизу: схемы этапов открытой разработки - разведка, вскрытие пласта и добыча полезного ископаемого.

Общая схема металлургического цикла: 1 - коксовые печи; 2 - штабеля руды и грейферный кран; 3 - воздуходувка; 4 - скиповая яма и наклонный мост доменной печи; 5 - доменная печь; 6 - воздухонагреватели (кауперы); 7 - миксер; 8 - ковш для заливки чугуна; 9 - мартеновская печь; 70 - разливка стали в изложницы; 11 - обжимной стан (блюминг); 12 - рельсобалочный стан; 13 - готовый прокат.

КАК ПОЛУЧАЮТ И ОБРАБАТЫВАЮТ МЕТАЛЛЫ

НЕПРЕРЫВНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ МЕТАЛЛА

Удивительные изменения испытывает металл, сока он превратится из руды в чугун, сталь, медь, алюминий, а затем воплотится в машину, засверкает блеском на крыльях комфортабельных автомобилей, чудесных пассажирских лайнеров.

Преобразование металла от руды до детали- процесс сложный и длительный. Максимально сократить его, ускорить путь к получению готовой машины - вот задача, которую решают советские ученые. Видная роль в этом принадлежит металлургии, и в частности современной

прокатной технике, над созданием которой трудится коллектив Всесоюзного научно-исследовательского института металлургического машиностроения.

В прокатку поступают громадные металлические слитки весом в десятки тонн, полученные после выплавки в доменных и мартеновских печах. На одних прокатных станах из этих слитков получают квадратные заготовки - блюмы и плоские - слябы, на других из блюма делают круглые заготовки, из сляба - листы, на третьих - рельсы, ленту, трубы. Отсюда

и названия станов: заготовочные, листовые, трубные, рельсобалочные и др.

За последние два десятилетия советским исследователям и конструкторам удалось создать много высокопроизводительных прокатных станов. Характерная их особенность - высокая скорость. Стан для прокатки тонкой ленты может ежесекундно выдавать до 35 м готовой продукции. Металл движется сквозь него со скоростью самого быстрого скорого поезда-125 км/час. Причем самой высокой скоростью в мире обладают спроектированные в нашей стране непрерывные агрегаты печной сварки труб, работающие на Челябинском и Таганрогском металлургических заводах.

Каждый такой агрегат - это цех-великан, внутри которого в одной технологической линии работают десятки взаимодействующих машин. У агрегата почти безлюдно. Управляет сложным процессом один оператор. На всем пути изделия, равном 320 м, к агрегату не прикасается рука человека - все операции механизированы и автоматизированы. Бесконечно плывет стальная лента. По мере ее движения машины нагревают ленту, формуют ее, сваривают в трубу, вытягивают в длину, уменьшают в диаметре, калибруют, разрезают на одинаковые части, нарезают резьбу, надевают муфты. Ежеминутно стан выдает 500 м водопроводных труб.

Прокатка вышла за пределы металлургии. Все увереннее вторгается она в самые различные области машиностроения, открывая перед машиностроителями заманчивые перспективы. Немало лет потратили ученые на то, чтобы создать машины, которые могли бы «лепить» из металла изделия для самых разнообразных машин. И эта задача успешно разрешена.

Учеными Всесоюзного научно-исследовательского института металлургического машиностроения впервые в мире разработана оригинальная технология изготовления машиностроительных

изделий круглой и конусной формы на прокатных станах.

Один из таких станов работает на Московском заводе малолитражных автомобилей. Приводные валки, стремительно вращаясь, обжимают раскаленное тело заготовки, вписывая его в форму и размеры будущего изделия - автомобильные полуоси. Прокатка вытеснила трудоемкие операции: ковку на специальных прессах и механическую обработку на токарных станках.

Московский завод - не исключение. На таких же станах в Коломне получают шпиндели текстильных веретен, в Минске - тракторные полуоси, в Днепропетровске - 70 изделий для тракторов, а также для электродвигателей, буровых машин. Общая экономия от внедрения трехвалковых станов - 300 тыс. рублей в год. Так выглядит сегодняшний день отечественного прокатостроения.

А перспектива? Она определена Программой партии, предусматривающей значительный рост производства стали и проката. Одна из важнейших задач - создание автоматических агрегатов, совмещающих разливку с прокаткой металла .Такие агрегаты будут оснащены устройствами программного управления. Пользуясь электронными приборами, оператор сможет регулировать температуру нагрева, менять скорости прокатки, поддерживать ее строгий технологический режим. Разрабатывается и такой агрегат, на котором из жидкого металла можно получать чугун, затем перерабатывать его в сталь, а из стальных слитков изготовлять проволоку диаметром до 6 мм.

Внедрение непрерывных процессов в металлургию и машиностроение имеет огромное значение для все более широкой механизации и автоматизации всех видов производства. А это, как известно, позволит значительно увеличить выпуск лучших в мире машин, приборов, технологического оборудования.

ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

Железо, сталь, чугун

Уже в глубокой древности люди знали железо и умели им пользоваться. Греческий философ Аристотель, живший в 384-322 гг. до н. э., описывает способ получения некоторых сортов железа и говорит о землях, из которых железо извлекали. Земля, о которой он рассказывает,- это железная руда, химическое соединение железа с кислородом (окислы железа) в смеси с различными минералами.

В самородном состоянии железо на Земле не встречается. Как только молекулы железа приходят в соприкосновение с вездесущим кис-

лородом, они с ним соединяются, т. е. окисляются. На заре своей истории люди использовали метеоритное железо, падавшее на земную поверхность из космоса. Такого железа было, конечно, мало. Практическое, хозяйственное значение этот металл приобрел лишь тогда, когда человек научился получать его из руды.

Что же такое железо? Это химический элемент, один из самых распространенных металлов, входящих в состав земной коры. Однако железом называют не только химический элемент, но и металл, выплавленный из железной руды, хотя обычно в нем содержатся примеси, в частности немного углерода.

Если углерода совсем мало, не больше 0,04%, то железо сохраняет свои природные физические свойства и свое название. Если в сплав входит до 2% углерода, то он становится тверже. Это сталь. А если углерода еще больше, железо становится твердым и хрупким; такой сплав называют чугуном. В состав чугуна и стали, кроме железа и углерода, входят и другие химические элементы: одни из них, например кремний и марганец, придают сплаву те или иные ценные свойства, другие - сера, фосфор, мышьяк - ухудшают свойства, делают сплав ломким.

Умение получать железо из руды, совершенствование методов обработки металлов и сплавов оказало огромное влияние на развитие человеческого общества. Паровые машины и электрические двигатели, железные дороги и исполинские корабли, машины для добычи угля, нефти, обработки полей и уборки урожая - все они сделаны из железных сплавов. Свыше

5 млрд.т стали, превращенной в машины, инструменты, в каркасы различных зданий, мосты, рельсы, верно служат человеку. На каждого жителя Земли в среднем приходится около 2 т стали. Несмотря на широкое применение других металлов - алюминия, магния, титана - и сплавов из них, доля железа в мировом производстве всех металлов с конца прошлого века и поныне практически остается той же - она равна 94-96% .

По тому, сколько стали приходится в среднем на душу населения той или иной страны, мы судим о том, насколько она промышленно развита. В нашей стране в дореволюционное время на душу населения приходилось только 30кг стали в год. За последние полвека выплавка стали в Советском Союзе выросла более чем в 18 раз, и на душу значительно возросшего населения в 1962 г. приходилось 345 кг. В 1965 г. производство чугуна у нас достигнет 70 млн.т, стали -90 млн.т. А к 1980 г. выплавка стали будет равна примерно 250 млн.т в год.

Что требуется для выплавки чугуна

На современных металлургических заводах железо из руды выплавляют в доменных печах. В них получают чугун. Из чугуна разными способами (о них будет рассказано ниже) производят сталь. Ту или иную необходимую форму металл получает на прокатных станах или путем ковки и литья. Путь от железной руды до готового металла - его называют металлургическим циклом - длинный и сложный.

Металлургический цикл начинается с подготовки руды - её обогащения (см. ст. «Как полезные ископаемые становятся «еще более полезными»). Специальной подготовки требует и уголь: ведь в нем содержится много примесей, крайне вредно влияющих на металл. Поэтому минеральный уголь «коксуют». Делается это так: уголь размалывают в тончайший порошок и погружают в высокие печи - камеры. 60- 80 таких камер образуют коксовую батарею. Порошок прогревают без подачи воздуха, постепенно увеличивая температуру. Когда вся масса угольного порошка прогреется насквозь, порошок спекается; получается каменноугольный «пирог» - кокс. Тогда к камере подходит машина и выталкивает «пирог» из печи на железнодорожную платформу, а затем его увозят к тушильной башне. Там его заливают водой, и он разваливается на мелкие куски, которые

идут сначала на сортировку, а потом к доменным печам.

Кокс порист и поэтому быстрее вступает в контакт с горячим воздухом. Кокс крепок и при падении с высоты не крошится. В нем остается гораздо меньше примесей, так как часть их уже ушла вместе с коксовым газом, который выделяется при нагреве угля. Из этого газа затем извлекают много полезных продуктов.

Руда и кокс приготовлены, но этого еще недостаточно. Вместе с рудой и коксом в печь закладывают и флюсы (известняки). Это способствует образованию легкоплавких шлаков, отделяющихся от расплавленного металла. В последние годы стали примешивать флюсы к руде еще при ее обогащении. Большинство доменных печей Советского Союза теперь работает именно на таком сырье.

Смесь материалов, загружаемых в плавильную печь для получения металла заданного химического состава, называется шихтой.

Но для плавки нужен также и воздух. Без него, точнее без кислорода, нет горения. Но и воздух необходимо подготовить - нагреть. Предварительный подогрев воздуха, подаваемого в доменные печи, сыграл очень важную роль в развитии выплавки чугуна. Когда вдували холодный воздух, приходилось затрачивать слишком много топлива на его нагрев, производительность печей оставалась низкой. С переходом на горячее дутье процесс стал протекать гораздо быстрее.

Для нагрева воздуха используют тепло отходящих из доменных печей горячих газов. Их отводят по трубам после очистки к воздухонагревателям (кауперам) - высоким башням, разделенным внутри на две части по вертикали. В башню пускают доменный газ и воздух. Газ загорается и идет сначала к куполу башни, а потом спускается по каналам, проложенным в кирпичных насадках другой половины башни, отдавая кирпичу тепло. Когда кирпич достаточно нагреется, доступ газу закрывают и впускают в воздухонагреватель холодный воздух. Проходя между горячими кирпичами, воздух нагревается до температуры 800-1000°. Затем его направляют по трубам к доменной печи.

Кирпичные камеры нагревают обычно около двух часов, а потом в течение часа воздухонагреватель подает в доменную печь горячий воздух. Поэтому для бесперебойной работы печи мало одного воздухонагревателя - нужны три-четыре. Два или три из них греются, а третий или четвертый в это время подает нагретый воздух в доменную печь.

Воздухонагреватель. В нем нагревают воздух, прежде чем впустить его в доменную печь.

А теперь познакомимся с устройством домен-вой печи. Доменные печи существуют около 500 лет. Их размеры и производительность непрерывно растут. В старой России преобладали доменные печи объемом в 200-300 м³, а на Урале действовали маленькие двадцати-, тридцатикубовые печи. В годы индустриализации в нашей стране начали строить печи объемом более тысячи кубометров. Теперь чугун у нас плавят самые большие в мире домны, есть проект еще более мощных - в 2700 м³. Каждая из домен, построенных на заводах Криворожсталь, Ждановском им. Ильича, Челябинском, Орско-Халиловском, Череповецком и др., выплавляет

до полутора миллионов тонн чугуна в год. Огромные печи построили в 1964 г. на Магнитогорском и Западно-Сибирском комбинатах.

Современная доменная печь - одно из самых мощных сооружений. Загруженная шихтой, она весит много тысяч тонн.

Доменная печь - это башня высотой с пятнадцатиэтажный дом, одетая в стальную «рубашку». Внутри она выложена огнеупорным кирпичом. В кирпичи замурованы змеевики, по которым циркулирует охлаждающая вода. Главные части домны - колошник, шахта и горн. Через колошник отводят газы и загружают в печь сырые материалы. Затем материалы опускаются в шахту, а оттуда в горн, куда под большим давлением через специальные отверстия - фурмы - вдувают горячий воздух, поступающий с воздуходувной станции. В горне сгорает кокс и развивается очень высокая температура - более 2000°. В нижней части горна отверстия - лётки: одна для выпуска чугуна, а другая, повыше,- для шлака.

В последние годы в доменные печи стали вдувать природный газ. Это позволяет значительно снизить расход кокса при выплавке металла. В результате применения газа и ряда других мер, способствовавших лучшему использованию тепла доменных печей, удельный расход кокса на 1 т чугуна на наших заводах за последние двадцать лет снизился более чем на 300 кг, т. е. на одну треть. Советские металлурги расходуют на каждую тонну чугуна гораздо меньше кокса, чем американские, западногерманские и др. Особенно эффективно применение природного газа вместе с чистым кислородом.

Схема доменного процесса. Из руды, кокса, флюсов и воздуха получают чугун - железо, насыщенное углеродом.

Посмотрим, как обслуживаются доменные печи. Возле доменных печей делают бункера (ямы). Это склады, откуда доменные печи получают необходимое им питание. Здесь при помощи автоматизированных вагонов-весов составляется набор сырых материалов (шихта), нужных для плавки чугуна. На новейших домнах применяется транспортерная подача.

С транспортера материалы высыпают в бункер. В него упирается нижняя часть наклонного моста, приставленного к печи. По мосту при помощи канатов и подъемных механизмов вверх и вниз ездят особые тележки - скипы. В то время как один скип наверху разгружается в печь, другой внизу нагружается.

А теперь разберемся, что происходит внутри печи. У фурм воздух (дутье) встречается с коксом. Сгорая, кокс образует углекислый газ. Под влиянием высокой температуры углекислый газ превращается в окись углерода. Последняя вступает в контакт с железной рудой, освобождая ее от кислорода - восстанавливая железо. Железо восстанавливается также в результате соприкосновения с раскаленным коксом. Проходя через слой кокса, восстановленное железо насыщается углеродом. Поэтому из домен выходит не железо, а чугун.

По мере накопления в печи жидкого чугуна его выпускают через лётки. Расплавленный шлак легче металла и всплывает наверх. Поэтому шлаковая лётка расположена выше чугунной. Глиняную пробку лётки высверливают специальной машиной, а закрывают ее при помощи пневматической или электрической «пушки». Чугун выпускают через точно установленные промежутки времени, обычно в сутки делают 7-8 выпусков. Шлак выпускают чаще, чем чугун.

Жидкий чугун из домны по желобу течет в канавы, выложенные огнеупорной массой, а дальше - в стоящие наготове на железнодорожных путях ковши. Часть жидкого чугуна на специальных машинах разливают в формы. Застывшие продолговатые бруски чугуна называют-чушками. В основном чугун используют для получения стали.

Из чугуна в сталь

Чтобы отнять у окислов железа кислород, его заставили соединиться с углеродом. Получили чугун. Теперь же, чтобы получить сталь, надо выжечь из чугуна избыточный углерод, т. е. соединить его с кислородом.

Найти наилучший метод превращения (передела) чугуна в сталь - одна из труднейших задач технического прогресса, которая решается уже много веков. В давние времена излишний углерод почти полностью выжигали в специальных кричных горнах. Обезуглероженное таким образом железо цементировали, т. е. снова насыщали углеродом. Потом широкое распространение получил способ так называемого пудлингования. Пудлинговая печь - это тот же кричный горн, превращенный в пламенную печь, в которой рабочее и топочное пространства были отделены пламенным порогом. Это позволило постоянно перемешивать массу металла. Отсюда и произошло название процесса - пудлингование, т.е. перемешивание.

Сталь варили также в тиглях. Славилась булатная сталь. Но ни один из существующих ранее способов не мог удовлетворить все возраставшие потребности промышленности в стали.

Быстрый и удобный способ превращения чугуна в сталь разработал в 1855 г. англичанин Г. Бессемер. Он предложил продувать расплавленный жидкий чугун воздухом в расчете на то, что кислород воздуха соединится с углеродом и унесет его в виде газа. Бессемер опасался только, как бы воздух не остудил чугун. На деле получилось обратное - чугун не только не остыл, но еще сильнее нагрелся. Неожиданно, не правда ли? А объясняется это просто: при соединении кислорода воздуха с разными элементами, содержащимися в чугуне, например с кремнием или марганцем, выделяется определенное количество тепла.

Конвертер - стальной, выложенный огнеупорным кирпичом сосуд для выплавки стали по способу Бессемера - похож на реторту. В дне его сделаны отверстия, через которые под большим давлением вдувают воздух. Примерно на одну десятую объема конвертер заполняют расплавленным чугуном. Через жидкий металл проходит мощный ток воздуха. Углерод быстро выгорает, и в считанные минуты сплав почти полностью обезуглероживается.

Это был самый быстрый, самый дешевый и самый простой способ получения стали. Но в простоте его крылись и недостатки. Химические реакции в конвертере проходили чересчур быстро, углерод выгорал, но кислород воздуха не затрагивал серу и фосфор. Они оставались в сплаве и резко ухудшали его свойства. И еще: при продувке металл насыщался азотом, что также очень вредно для стали.

При этом способе можно было использовать не всякий чугун, а только такой, в состав которого входят кремний и марганец, способные во время реакции выделять большое количество тепла. Кроме того, в бессемеровском конвертере нельзя перерабатывать на сталь лом, в него можно заливать только жидкий чугун. Вот почему бессемеровский способ был вытеснен открытым в 1864 г. французами Эмилем и Пьером Мартенами другим способом (его назвали по имени изобретателей мартеновским). Этот способ более сложный, но обеспечивает выплавку стали высокого качества и позволяет использовать для этого металлический лом.

Мартеновская печь

Мартеновская печь как бы двухэтажная. Нижний этаж состоит из четырех камер, стены которых выложены огнеупорным кирпичом. Назначение этих камер (их называют регенераторами) примерно такое же, как и воздухонагревателей доменных печей. Только в них нагревается и поступающий в печь воздух, и газ, которым она отапливается. Ход процесса зависит от калорийности топлива - чем она выше, тем быстрее варится сталь. Раньше на большинстве мартеновских печей в качестве топлива применяли смесь доменного и коксовального газов. В последние годы широко используют природный газ.

Особенно выгодна смесь природного газа и кислорода. Более одной трети всей стали, выплавляемой в Советском Союзе, получают с применением кислорода.

Сами регенераторы нагреваются дымом печи. Раскаленные продукты горения направляют в подземные камеры. Проходя через одни регенераторы, скажем правые, газы нагревают их. Затем при помощи перекидных клапанов газ направляется в левые регенераторы. Пока

они греются, в одну из правых камер пускают газообразное топливо, на котором работает печь, а в другую - воздух. Таким образом в печи все время поддерживается необходимая высокая температура.

Верхний этаж печи - это рабочая камера, стены которой, так же как и в нижнем этаже, выложены огнеупорным кирпичом. В ней ведется плавка. Ванны печи напоминают удлиненное, постепенно углубляющееся от краев к середине корыто, покрытое, как и стены, слоем огнеупорных материалов.

В передней стене имеются «окна» - от трех до семи. Через них заливают расплавленный чугун. В противоположной стене - выпускное

Процесс, происходящий в бессемеровском конвертере, очень

прост: избыточный углерод, содержащийся в чугуне, вступает

в соединение с воздухом и быстро выгорает.

отверстие. Когда идет плавка, оно забито огнеупорной глиняной массой. По специальным каналам нагретые газ и воздух подводятся в верхнюю часть печи. Там они смешиваются и сгорают. Образуется факел яркого пламени, температура которого достигает 1800-2000°. Газ и воздух двигаются быстро, факел растягивается на всю длину камеры, передавая тепло находящимся в печи материалам.

Обычно под одной крышей строят не одну, а несколько мартеновских печей. Вдоль них прокладывают рельсы. По одним из них подвозят нужные для плавки материалы, по другим курсируют завалочные машины.

Войдем в один из мартеновских цехов. В ряд выстроились огромные печи (в СССР построены самые большие в мире мартены; емкость некоторых из них-до 900 т). Вот печь, из которой только что выпустили готовый металл. Сталевары уже начали готовиться к новой плавке. С помощью специальной машины они заделывают обнаружившиеся после выпуска предыдущей плавки изъяны в кладке печи. Эта первая операция называется заправкой печи.

Потом начинается завалка (загрузка). Сначала в печь идут холодные материалы - железный лом, известняк. Для загрузки применяют завалочные машины. Длинными, похожими на хобот слона, штангами они захватывают металлические ящики-мульды-с железным ломом, известью и рудой, заносят их в печь, легко и быстро переворачивают и снова ставят на тележку. Как только завалка заканчивается, опускают все заслонки над «окнами» и в печь дается максимум тепла, чтобы лом и другие заложенные в нее материалы возможно быстрее прогрелись. После этого электровоз подвозит ковши с чугуном. Его доставляют из миксера - своеобразного термоса, где металл хранится в жидком состоянии. Кран снимает ковши с лафетов, наклоняет их, и по желобам, вставленным в «окна», чугун льется в печь.

Теперь надо добиться, чтобы жидкая масса в ванне хорошо перемешалась, закипела. Наконец, на поверхности ванны появляются пузыри: через металл и шлак прорывается окись углерода. Она образуется в результате реакций между отдельными элементами (марганцем, кремнием) и кислородом печных газов и руды. Чтобы усилить выгорание углерода, в ванну в это время прибавляют железную руду. Содержащийся в руде кислород помогает быстрее избавиться от излишнего углерода в металле. Чтобы еще больше ускорить процесс выгорания углерода, на многих заводах в расплавленную массу металла начали вдувать кислород. На заводе Запорожсталь, например, удалось таким образом сократить длительность плавок. Если раньше они продолжались 6 -10 часов, то теперь 3,5-4 часа.

А чтобы узнать, насколько интенсивно проходят химические реакции, время от времени берут пробы. В цеховой лаборатории очень быстро (их поэтому называют экспресс-лабораториями) делают анализ и сообщают сталевару, сколько в металле углерода, серы, фосфора, марганца и других элементов.

На последнем этапе происходит раскисление, т. е. удаляется образующаяся в ванне печи вредно влияющая на качество металла закись железа. Для этого в печь добавляют так называемые раскислители (ферросилиций и ферромарганец).

Мартеновский цех: 1 - печь; г - завалочная машина; 3 - ковш с жидким чугуном; 4 - мостовой кран печного пролета; 5 - регенераторы; 6 - ковши для приема и разливки жидкой стали; 7 - изложница; 8 - мостовой кран литейного пролета.

Мартеновская печь состоит из двух «этажей», которые тесно связаны между собой. На первом готовится топливо, на втором варят сталь.

На схеме хорошо видно устройство обоих этажей печи: 1 - дым; 2 - регенераторы; 3 - воздух; 4 - газ; 5 - перекидные клапаны; 6 - дымовая труба.

И вот сталь готова. Под выпускным отверстием стоит ковш. В него льется струя металла. О том, что с ней происходит дальше, вы узнаете в следующих главах. А пока рассмотрим другие способы выплавки стали.

Кислородные конвертеры

Мартены, как уже говорилось, вытеснили бессемеровские конвертеры. Однако в самые последние годы открылись обстоятельства, которые вновь выдвинули конвертеры на первый план.

Попробовали вдувать в конвертер не атмосферный воздух, а кислород, притом подавать его не снизу, как это делали раньше, а сверху. Оказалось, что таким способом в конвертерах можно переработать любой чугун. При кислородном дутье температура в конвертере поднимается настолько, что стало возможным переплавлять в нем и железный лом, а сталь получается не хуже, а порой и лучше, чем мартеновская.

Преимущество кислородно-конвертерного процесса - его более высокая производительность по сравнению с мартеновским. Цех с тремя конвертерами, емкостью по 50 т каждый, дает столько же стали, сколько мартеновский цех с шестью печами, по 600 т каждая. На не-

которых советских заводах - Нижне-Тагильском, заводе им. Ильича в г. Жданове и др.- построены мощные кислородные конвертеры. Весь цикл плавки и подготовки такого конвертера занимает не более часа, тогда как в мартеновской печи плавка длится от 6 до 10 часов. Однако и мартеновские печи еще долго будут служить. Для каждого рода стали и состава шихты следует выбрать наиболее подходящий метод ее выплавки.

Легированная, или специальная, сталь

Сталь бывает разных марок. Они различаются по химическому составу. Прибавка определенного количества марганца, например, делает сталь очень твердой; хром, особенно в сочетании с никелем, делает ее нержавеющей; кремний - упругой; вольфрам применяют для получения быстрорежущей инструментальной стали и т. д. Часто в сталь вводят несколько различных добавок сразу. Такая сталь, в которую входят добавки, придающие ей особые свойства, называется легированной или специальной.

Многие марки легированной стали - около 8% всей стали в стране - выплавляют в электрических печах. Электропечи бывают

Дуговая электросталеплавильная печь. Металл в этой печи не соприкасается с газами и получается более чистым. Вверху - разрез печи; внизу- идет готовая сталь.

дуговые и индукционные. Источником тепла в дуговых печах служит электрическая дуга между опущенными в печь электродами и металлом. По емкости эти печи догоняют мартеновские. Такие большие печи имеют специальные устройства для перемешивания металла в ванне печи.

В индукционных печах источником тепла служат соленоиды (индукционные катушки). Их преимущество в том, что металл не приходит в соприкосновение с электродами, он лучше перемешивается и, стало быть, чище.

Для получения особенно чистой стали применяют вакуумный переплав или разливку в вакууме, т.е. в разреженном пространстве.

Большое развитие в настоящее время получает прессование металла из порошков (см. ст. «Порошковая металлургия»).

Теперь, после того как мы познакомились с различными способами производства стали, продолжим наше путешествие по металлургическому заводу и проследим дальнейший путь металла.

Рождение стального слитка

Итак, сталь выпустили из печи в ковш. Из очень больших печей сталь выпускают сразу в два ковша по сдвоенному желобу. Затем могучие «руки» крана поднимают ковш и несут на разливку.

На большинстве заводов сталь разливают в изложницы - высокие чугунные коробки. После того как металл застынет, слитки «раздевают», т.е. с них снимают изложницы. Вес слитков может быть различным - от нескольких килограммов до десятков тонн.

Способы разливки стали: слева - наполнение изложницы снизу (сифоном); справа - наполнение изложницы сверху.

Однако солидная внешность только что родившегося стального слитка обманчива - внутри него образовались крупные кристаллы, газовые пузыри, раковины. Объясняется это тем, что, остывая, металл кристаллизуется, а процесс кристаллизации протекает неравномерно. Поэтому и кристаллы получаются разные: у самой стенки изложницы кристаллы небольшие, в глубине - крупные, а между ними пузыри и раковины. Помимо того, в верхней части слитка возникают так называемые усадочные раковины. Вот почему слитки требуют дополнительной обработки - обжима (о том, как это делается, вы прочтете в ст. «Блюминги и слябинги»). От слитка отрезают головную и

донную (прибыльные) части, получаются очень большие отходы (обрезь), достигающие

8-15% от веса слитка. Все эти недостатки заставили металлургов искать лучший способ разливки металла.

В 1955 г. в нашей стране была пущена первая промышленная установка для непрерывной разливки стали. Новый способ принципиально отличается от старого.

Непрерывная разливка стали

Установка для непрерывной разливки стали представляет собой сооружение высотой около 17 м. Она размещена в подземном помещении, и лишь ее верхняя часть вынесена наружу, несколько выше уровня пола цеха. Здесь установлены кристаллизаторы - разъемные водоохлаждаемые изложницы квадратной или прямоугольной формы, но без дна. Стенки кристаллизаторов полые, в них циркулирует вода. Ниже кристаллизатора, уже в подземном помещении, расположена секция вторичного охлаждения - своеобразный «душ». Вторичное охлаждение позволяет регулировать ход кристаллизации. Здесь же система роликов, образующая ограждение на пути еще не полностью затвердевших слитков, и устройство, вытягивающее слитки из кристаллизатора (см. цв. рис. на стр. 236-237).

Посмотрим, как же происходит процесс непрерывной разливки. Кран приносит ковш с жидкой сталью. Из него металл заливают в промежуточный ковш, откуда он поступает в кристаллизатор. Чтобы первая порция жидкой стали не прошла насквозь раньше, чем она застынет, дно кристаллизатора заблаговременно закрывают металлическим брусом, или, как говорят металлурги, вводят «затравку». Один конец бруса «запирает» кристаллизатор, другой зажат в валки тянущего устройства.

Когда наружные слои стали затвердеют, в действие вступают тянущие устройства, которые вытягивают из кристаллизаторов «затравку» и как бы приросшую к ней заготовку. Теперь процесс идет безостановочно. В кристаллизатор непрерывно заливают сталь, идет сплошная стальная заготовка. Пройдя через «душ», она затвердевает насквозь, после этого автогенный нож разрезает ее на части нужного размера. Отрезанные куски заготовки с помощью системы рольгангов выносятся наверх, на приемные стеллажи. Конструкции установок для непрерывной разливки стали продолжают совершенствоваться.

При непрерывной разливке стали, благодаря более быстрому охлаждению и затвердеванию, слитки получаются однороднее, прочнее и почти нет отходов.

Выгода непрерывной разливки очевидна. Однако этот новый способ испробован пока при разливке сталей, которые варят в относительно небольших, 80-150-тонных, мартеновских и электрических печах. Основную массу стали, которая выплавляется в нашей стране, да и в других странах, все еще разливают в обыкновенные изложницы, а полученные слитки отправляют в обжимные цехи.

Блюминги и слябинги

Обжим совершается на блюмингах или слябингах. Причем на этих агрега-

тах одновременно производят еще и первичную операцию прокатки: слиток раскатывается и превращается в длинный брус или пластину. Дело в том, что сталь, нагретая добела, сохраняет важнейшее свойство железа - способность необратимо изменять свою форму.

Перед обжимом слитки выдерживают определенное время (4-6 часов) в нагревательных колодцах при температуре 1100-1250°. Затем их кладут на электрическую тележку (электрокар) и везут к блюмингу.

Обжимное устройство блюминга - это станина, в которой укреплены два массивных вала, диаметром каждый больше метра и длиной до 2 м. Валы (их называют валками) вращаются навстречу друг другу. Верхний валок блюминга может подниматься и опускаться. На станине блюминга поставлен большой циферблат со стрелкой. Она показывает величину просвета между валками, который должен быть несколько меньшим высоты слитка. Управляет блюмингом оператор. При помощи рычагов он приводит в движение механизмы, и раскаленный слиток направляется в пространство между валками, которые тотчас увлекают его, протаскивая вперед и уменьшая в сечении. Но чтобы превратить слиток в длинный брус, одного обжима недостаточно. Валки выпускают слиток, и он двигается по рольгангу - широкой металлической дороге, выложенной роликами,- вперед и назад.

Оператор меняет направление вращения валков блюминга и рольганга. Одновременно он опускает верхний валок немного ниже. Зазор между валками становится меньше. Слиток, уже раз побывавший между валками, снова попадает в зазор между ними. Они сдавливают его вторично, потом снова и снова, и каждый раз все сильнее. Затем слиток поворачивают набок. Поворот (кантовка) совершается с помощью специального механизма - кантователя. Нажим кнопки - и кантователь пришел в действие, он переворачивает многотонный слиток легко, как спичечную коробку.

Прокатный брус по рольгангу направляется к ножницам. Здесь обрезаются негодные части и делят его на куски - блюмы.

Блюминг в подлинном смысле слова исполинская машина: моторы, обслуживающие его систему, обладают мощностью в десятки тысяч киловатт. Такого количества энергии достаточно, чтобы обеспечить электричеством небольшой город. Весит блюминг тысячи тонн. Пульт его управления - это десятки кнопок и рычагов. Более ста движений в течение ми-

нуты должен совершить оператор. От 13 до 19 раз проходит слиток через валки, и весь этот процесс длится меньше минуты. Такая работа требует не только высокого искусства, но и очень большого напряжения. Чтобы облегчить этот труд, советские ученые и конструкторы создали полностью автоматизированный блюминг, управляемый электронно-вычислительной машиной.

Слитки обжимают также и на слябингах, это такие же могучие машины, на которых установлена двойная система валков: одни - горизонтальные, другие, несколько меньшего диаметра, - вертикальные. На слябингах слиток превращается в длинную пластину, которая режется на плоские заготовки - слябы.

Из блюмов и слябов делают металл необходимой формы, или, как говорят металлурги, разных профилей.

Металл приобретает форму

Мы на последнем этапе путешествия по металлургическому заводу. Дальнейший путь блюмов и слябов зависит от назначения стали. На одних заводах прокатные станы производят стальные листы для кузовов автомобилей, на других - трубы для газопроводов, на третьих - рельсы, на четвертых - сортовой прокат, т. е. изделия относительно простых геометрических форм: квадрат, круг, полоса, угол.

Чтобы превратить заготовку (блюм или сляб) в полосу или лист, ее пропускают между гладкими валками. Иным способом изготовляют сталь более сложных форм. В нижнем и верхнем валках делают вырезы необходимой формы. Сблизив валки так, чтобы вырез одного точно пришелся над вырезом другого, получают ручей, или, как его называют металлурги, калибр. Если бы сталь была такой же пластичной, как, скажем, воск или глина, дело обстояло бы совсем просто. Достаточно было бы пропустить металл через ручей нужной формы - и задача решена. Но сталь менее пластична. Поэтому металл нужной формы получают постепенно, пропуская его через ряд все более приближающихся к окончательной форме калибров (иногда их количество достигает двадцати). Затем готовый прокат поступает на пилы или ножницы. Его разрезают на куски нужной длины и отправляют на холодильник.

Очень мощные и высокопроизводительные станы применяются для прокатки балок и рель-

сов. На Уралмашзаводе в г. Свердловске построен рельсобалочный стан с автоматической поточной линией для отделки рельсов. Весь процесс протекает без применения тяжелого физического труда. Стан этот состоит из 240 отдельных машин общим весом свыше 15 тыс.т.

Удобны и высокопроизводительны станы непрерывного действия. На станах, с которыми мы познакомились раньше, заготовка движется то вперед, то назад. Ее путешествие отнимает больше времени, чем само обжатие. В непрерывном стане клети устанавливаются последовательно одна за другой. Выйдя из одной клети, полоса автоматически попадает во вторую, затем в третью (надо только, чтобы все клети работали с совершенно одинаковой скоростью!). Некоторые станы такого типа способны выпускать более 2 млн.т листов в год. Толщина прокатываемого листа контролируется на ходу.

Из специальных станов большое значение имеют трубные. Существуют два способа получения труб. По первому способу в стальной заготовке на специальном стане делают отверстие (прошивают); получается короткая гильза, которую потом раскатывают в длинную трубу. Таким образом получают бесшовные трубы. По другому - стальной лист сворачивают и сваривают (см. ст. «Как сваривают металл»). Очень эффективны и экономичны станы спиральной сварки труб из стальной ленты.

Созданы станы прокатки шаров для подшипников и шаровых мельниц. Сконструированы станы для прокатки наиболее распространенных деталей машин, например осей автомобиля «Москвич» и др. Это новое прогрессивное направление прокатного производства, когда на металлургических заводах рождаются готовые детали машин.

Скорость прокатки возрастает из года в год. Так, горячие стальные листы катают со скоростью до 50-60 км/час. Холодная прокатка стального листа совершается со скоростью свыше 100 км/час, прокатка проволоки -

Сегодня и завтра металлургии

Путь от железной руды до рельса или стального листа, как вы убедились, очень сложен. В доменной печи углерод отнимает у железной руды кислород, но в то же время железо излишне насыщается углеродом. Затем кислород, освобождая металл от лишнего углерода, помогает получать сталь.

В домну вдувают нагретый воздух. Вместе с каждой молекулой кислорода поступает около четырех молекул азота, который ни в каких химических реакциях не участвует. А между тем на обогрев его тратится тепло.

С помощью валков и калибров из нагретого металла «прокатывают» разные изделия ; 1 -структурная схема проката металла; 2 - калибры; 3 - системы валков.

НОВАЯ ДОМНА МАГНИТКИ

Такой громадины домны до сих пор не было в Европе. Да и в истории мировой металлургии нет случая возведения подобной домны.

Многие строительные нормы и традиции при сооружении домны-великана были опрокинуты строителями. По типовому проекту на укладку 21 700 т огнеупоров и изоляционных материалов положено 180 дней. Выполнена работа за 80 дней. Для воздухонагревателей домен укладывали прежде не больше 450 т огнеупоров за сутки. На этой домне укладывали по 600т огнеупоров. Насосную станцию построили ниже уровня реки Урала на 14 м. Для этого пришлось соорудить гидромеханическим способом искусственный полуостров и оградить его шпунтами...

Домна высоко возвышается над своими «подругами». Но главное отличие не в размерах. Больше всего ее создатели гордятся тем, что автоматикой охвачены все стадии выплавки.

Десять раз в сутки выдает металл большая домна Магнитки. Страна получает за год от нее сотни тысяч тонн высококачественного чугуна.

Пресс для формовки труб Челябинского трубопрокатного завода. Здесь трубы изготовляют из стальных листов - их сворачивают и сваривают.

Применение кислорода вместо воздуха привело к упрощению всего доменного хозяйства. Открылась возможность уменьшить размеры и мощность оборудования для подачи дутья, транспортирования и очистки газов. Громоздкие воздухонагреватели можно заменить более простыми. При достаточной концентрации кислорода в дутье можно будет уменьшить высоту печей, а это позволит снизить жесткие требования к механической прочности кокса.

Не меньшее значение имеет использование кислорода при выплавке стали. Даже небольшое обогащение кислородом поступающего в мартеновскую печь воздуха сокращает длительность плавок примерно на 25 %. Именно кислород, как мы убедились, возродил конвертерный способ производства стали.

И все же применение кислорода - только поправка (правда, очень существенная) к известной нам двухступенчатой технологической схеме, по которой из руды сначала получают чугун, а затем переделывают его в сталь.

Ученые нашей страны давно уже задумывались над принципиально новым решением задачи получения стали - прямым путем.

Один из последних вариантов этой идеи выглядит так: домна, работающая на кислородном дутье, выпускает чугун; по пути своего следования поток чугуна обрабатывается кислородом, насыщается необходимыми добавками и затем разливается на машине непрерывной разливки. Таким образом, весь процесс превращения руды в металл станет беспрерывным. Успехи автоматики позволили создать проект металлургического завода непрерывного действия, где разрозненные процессы будут соединены в единую поточную систему.

Выходит, что центральное место во всем процессе все же занимает доменная печь. А нельзя ли обойтись совсем без домен? Принципиально бездоменный процесс может протекать примерно так. Во вращающихся трубчатых печах железная руда превращается в железо. При помощи магнитов крупинки железа отделяются от остальной массы, и чистый продукт готов для дальнейшей обработки. Из железного порошка можно штамповать готовые изделия. Из него можно варить сталь различных сортов, прибавляя необходимые добавки (легирующие элементы).

С вводом в эксплуатацию гигантских электростанций советская металлургия получит много дешевой электроэнергии. Это создаст благоприятные условия для развития электродоменного производства и для еще более широкого применения электричества на всех последующих стадиях обработки железных сплавов.

Успехи атомной физики натолкнули на идею так называемой радиационной металлургии. Ее выдвинул акад. И. П. Бардин. «Я думаю,- говорил он,- что на первых порах человек станет «конструировать» с помощью радиоактивного воздействия легированные стали требующегося состава, не вводя в них редких и дорогих легирующих добавок, а создавая их прямо в ковше расплавленной стали. Из атомов железа, может быть, серы, фосфора... под влиянием потока лучей в расплавленном металле произойдут целенаправленные ядерные превращения».

Над решением этой и других, не менее увлекательных и важных проблем предстоит поработать будущим поколениям металлургов.

В мощных «челюстях» прокатного стана раскаленные добела бруски металла превращаются в широкие ленты толщиной всего в несколько миллиметров.

НЕСКОЛЬКО СОВЕТОВ ТЕМ, КТО СОБИРАЕТСЯ ПАЯТЬ

ПАЙКА К АЛЮМИНИЮ

Паять к алюминию очень трудно но все же можно. Вот несколько способов пайки к алюминию.

Первый способ. Сначала зачищенную поверхность алюминия лудят припоями, состоящими из цинка 15 - 50% и олова 85 - 50%. Или: цинка 8 -15%, олова 87-73% и алюминия 5-12%. Если в припое цинка меньше 30 %, можно паять обычным паяльником. Увеличение количества цинка в припое потребует более мощного паяльника. В качестве флюса используют парафин или стеарин.

Второй способ. Зачищенную поверхность алюминия смазывают раствором канифоли в серном (медицинском) эфире и посыпают мелкими медными опилками. После этого залуживают место пайки обычным оловянным припоем.

Третий способ. Место пайки зачищают и наносят 2- 3 капли насыщенного раствора медного купороса. Затем алюминиевую деталь подключают к отрицательному полюсу батарейки от карманного фонаря, а к положительному присоединяют кусочек оголенной медной проволоки, которую вводят через верх капли раствора. Это нужно делать так, чтобы конец проволоки не касался поверхности алюминия. Через несколько минут на нем осядет слой меди, к которому можно припаивать обычным способом.

ЛЕГКОПЛАВКИЕ ПРИПОИ

Легкоплавкие припои предназначены для пайки при помощи обычных паяльников. Мы приводим здесь рецепты трех таких припоев. Третник: 1 часть олова и 2 части свинца. Половинник: 1 часть олова и 1 часть свинца. А если сплавить 12 частей олова и 7 частей свинца, то припой даст блестящую поверхность пайки.

ТВЕРДЫЕ ПРИПОИ

Твердые припои имеют сравнительно большую температуру плавления, поэтому использование обычных паяльников невозможно. По к пайке твердыми припоями все же приходится прибегать в тех случаях, когда требуется очень прочно соединить сравнительно массивные детали.

Пайку твердыми припоями осуществляют следующим образом. Сначала приготовляют мелкие опилки нужных металлов или сплавов, а затем смешивают их вместе в следующих пропорциях:

для пайки меди и стали -
1) цинка 1 часть, меди 2 части;
2) цинка 1 часть, латуни 4 части;

для пайки латуни и бронзы -
1) меди 13 частей, серебра 11 частей;
2) цинка 5 частей, латуни 5 частей;

для пайки серебра - латуни 1 часть, серебра 1 часть.

Затем спаиваемые части деталей очищают до блеска и смазывают кашицей из воды и буры (буру можно заменить смесью равных частей борной кислоты и обычной соды), а сверху посыпают приготовленной смесью опилок. После этого спаиваемое место нагревают на огне газовой плитки до расплавления припоя.

ПАЯЛЬНЫЕ ЖИДКОСТИ, ЖИРЫ И ПАСТЫ

Паяльная кислота. В крепкую соляную кислоту положите кусочки цинка и оставьте там, пока он не перестанет растворяться (примерно около суток). Образовавшийся раствор хлористого цинка сливают и тщательно фильтруют. Этот раствор нужно хранить в пузырьке с притертой стеклянной пробкой.

Помните: для пайки при электромонтаже паяльная кислота непригодна. В этих случаях используется канифоль.

Канифольная паяльная жидкость. Растворите в спирте (денатурате), ацетоне или серном эфире кусочки канифоли до образования сиропообразного раствора. Этим раствором смазывают спаиваемые места с помощью кисточки.

Паяльные жиры. Наиболее доступны для изготовления два вида паяльных жиров.

Первый рецепт. Сплавьте 25 частей канифоли и 65 частей сала. В смесь, пока она еще полностью не остыла, добавьте при тщательном размешивании 10 или 15 частей нашатыря в мелкоистолченном виде.

Второй рецепт. 2 части сухого хлористого цинка (отжатый и высушенный осадок, который получается при изготовлении паяльной кислоты) смешайте и тщательно разотрите с 3 частями вазелина. Затем в эту смесь добавьте еще по 5 частей вазелина и олова и размешайте.

Паяльные пасты особенно удобны при пайке в труднодоступных местах. А изготовление их нетрудно.

Первый рецепт. Олово или третник (1 часть олова и 2 части свинца) измельчите в опилки и смешайте их с несколькими каплями чистого глицерина до получения жидкой кашицы. Полученный состав наносится на спаиваемое место и нагревается до расплавления припоя.

Второй рецепт. Одну часть канифоли растворите в таком же количестве серного эфира и смешайте с 2 частями оловянной пыли. Готовую смесь наносят на спаиваемое место и нагревают.

РЕМОНТ ЭЛЕКТРОПАЯЛЬНИКА

При ремонте перегоревшего паяльника можно слюду, которую трудно достать, заменить обыкновенной глиной. Стержень паяльника обмажьте слоем глины толщиной 2мм. После того как глина подсохнет, намотайте нагревательную обмотку. От концов обмотки сделайте отводы из медной проволоки диаметром 0,5-0,8 мм. Поверх готовой обмотки снова намажьте глину до полного заполнения пространства между обмоткой и оболочкой (кожухом) паяльника.

Но запомните: включать паяльник в электросеть можно только после полного высыхания глины.

СОЕДИНЕНИЕ ТОНКИХ ПРОВОДОВ

При помощи пайки часто бывает трудно произвести надежное соединение тонких проводов. Значительно лучше в таких случаях сварить концы проводов. Для этого концы проводов, не очищая их от изоляции, скручивают вместе и ровно подрезают. Затем место скрутки вносят в пламя спиртовки. Концы проводов свариваются в небольшой шарик, который остается только изолировать.

ПОЛУЧЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Руду цветного металла добыли из земли и очистили от большей части пустой породы (см. ст. «Добыча и обогащение руд цветных металлов»). Но даже лучший, стопроцентный рудный концентрат - только сырье. Из него нужно извлечь металл.

При обогащении руды разрушались сравнительно слабые связи между различными минералами. Теперь же нужно вторгнуться внутрь минерала, внутрь соединения, порвать крепчайшие химические связи между элементами. Тут не обойдешься действием центробежной силы или пузырьков пены. Пришла пора более мощных средств. И прежде всего - высоких температур. Та отрасль металлургии, которая их использует, носит имя пирометаллургии (от слова, означающего в переводе с греческого «огонь»).

Главные спутники металлов в рудах - сера и кислород. Их-то и нужно удалить. Сначала

попытаемся «расправиться» с серой. Металлы так прочно связаны с ней, что «соглашаются» только на обмен - место серы должен занять другой элемент. Обычно им оказывается кислород. А проходит эта обменная операция при обжиге руд -- сера выгорает, ее место занимает кислород. Словом, в конечном счете перед металлургом опять окисел - только на этот раз не природный, а искусственный.

Наступает самый ответственный момент - «прощание» с кислородом. Принцип очень прост: кислороду «предлагают» какой-нибудь «лакомый» для него элемент - углерод, водород, кремний. А хром, титан, марганец, например, можно освободить от кислорода с помощью более дешевого, чем они, алюминия.

Называется этот процесс восстановлением металлов из руд. Для того чтобы он мог идти, пускают в ход высокие температуры, расплавляя руду.

В электролизных ваннах ток очищает медь от примесей. Вот как выглядит цех электролиза меди Норильского металлургического комбината.

Посмотрим, как этим способом получают медь на современных заводах.

Попробуйте смешать в бутылке воду и растительное масло. Как ни перемешивай, масло в конце концов всплывет. Вот так же не могут смешаться в расплаве и всплывают наверх более легкие, чем металл, жидкие шлаки. Внизу, под их слоем,- расплавленный металл. Все это происходит в огромной печи, внутрь которой вдуваются топливо и воздух, а на поду плавится под действием пламени концентрат. Такая печь очень напоминает мартен (см. ст. «Мартеновская печь»). Выходят из печи отдельно жидкие шлаки и жидкий штейн - так называют смесь меди с железом, серой, серебром, золотом, никелем и т. д.

Штейн поступает от печи в конвертеры (см. ст. «Из чугуна в сталь»). В них, как и при переработке чугуна, через штейн продувается воздух. Так выжигается сера, удаляется железо. Но уходят на это не минуты, как в конвертерах для чугуна, а часы, часто даже десятки часов. Зато теперь вместо штейна получается черновая медь. Примесей в ней только 1-2%, а не 70-80%, как в штейне. Но и эти маленькие проценты не устраивают технику.

Снова пускается в ход огонь. Следующая стадия очистки меди так и называется - огневое рафинирование. Опять выжигаются остатки серы и некоторых других элементов. И опять при этом часть меди окисляется. Чтобы вернуть меди свободу от кислорода, в ванну с расплавом погружают деревянные жерди, словно дразнят медь. Это так и называется - дразнение. Дерево отбирает у меди кислород. Теперь примесей уже только десятые доли процента.

Когда-то с этим приходилось мириться. Теперь можно идти дальше. Медь отправляется на электролиз. Брусок очищаемой меди помещается в электролитическую ванну в качестве анода. Электрический ток переносит к катоду только атомы меди. Золото, платина, серебро опускаются на дно ванны. Они тоже не пропадут.

Маленькое отступление. Все большее значение приобретает сейчас хлорирование металлов. Руду цветного металла, например олова, обрабатывают хлором. Затем задача уже не в восстановлении металла, не в освобождении его от кислорода, а в разрушении соединения металла с хлором. Это проще и не требует таких высоких температур. Поэтому и распространяется этот метод, несмотря на один недостаток хлора - едкость.

И таких электролизных ваннах при температуре почти 1000° получают алюминий из глинозема. Па снимке - электролизные ванны Надвоицкого алюминиевого завода в Карелии.

Но вернемся к электролизу. Он помогает металлургам и в получении алюминия из расплавленного соединения металла с кислородом.

Очень сложную задачу поставил в свое время перед металлургами этот важнейший из цветных металлов. Его рудный концентрат - глинозем (окись алюминия) - плавится при очень высокой температуре - две с лишним тысячи градусов. Почти на 1000° выше точки плавления меди. Чтобы понизить температуру плавления, пришлось искусственно понижать концентрацию алюминия в электролитической ванне - растворять глинозем в расплавленном минерале криолите. Точка плавления раствора чуть ниже тысячи градусов. А это уже устраи-

вает металлургов. Правда, природного криолита на Земле так мало, что минерал этот приходится изготовлять искусственно. Но и это все равно дешевле, чем каждый раз нагревать чистый глинозем.

В раскаленном растворе молекулы глинозема распадаются на составные части - атомы алюминия и атомы кислорода. Электрический ток захватывает атомы алюминия и «укладывает» их на катод. В данном случае катодом служит дно самой ванны с глиноземно-криолитовым расплавом.

Титан и магний, кальций и бериллий и многие другие металлы часто тоже получают с помощью электролиза, разлагая их расплавленные соли. Но для того чтобы сделать эти соли жидкими, опять требуются высокие температуры.

Однако металлурги в ряде случаев умеют обходиться без такого сильного нагрева. Кроме пирометаллургии, существует гидрометаллургия. Тут металл тоже переводится в жидкость, но не огнем, а с помощью химического растворителя. Им могут оказаться и просто вода, и растворы кислот, щелочей, солей, и сложные органические жидкости.

Извлечь чистый металл из раствора его соединения сравнительно легко. В одних случаях пускают в ход электролиз. В других прибегают к обменным химическим реакциям. Вы, наверное, знаете, что, если опустить в жидкий медный купорос кусок железа, хотя бы старое бритвенное лезвие, на нем начнет осаждаться медь. В обмен в раствор уходят ионы железа.

Тот же по существу процесс идет в заводских масштабах на многих предприятиях, получающих медь.

Особенно широко применяется гидрометаллургия при переработке комплексных руд. В нашей стране есть комбинаты, которые из одного месторождения добывают восемь, одиннадцать, четырнадцать химических элементов. А химики Германской Демократической Республики на уникальном месторождении - Мандсфельдских нефтяных сланцах получают даже сразу двадцать пять элементов. Когда в каждом кубическом сантиметре руды есть, скажем, и марганец, и кобальт, и молибден, и еще добрый десяток ценнейших элементов, куда легче отделить металлы в целом от пустой породы, чем друг от друга. И вот рудный концентрат поочередно обрабатывается сильными реактивами. Стремятся к тому, чтобы в каждой жидкости растворились соединения только одного металла.

В металлургию все больше проникают иониты-особые синтетические смолы (см. ст. «Настоящее и будущее ионитов»). Погруженные в соответствующий раствор, они забирают из него, скажем, ионы золота. Химики утверждают даже, что иониты сделают выгодной, например, добычу драгоценных металлов из вод океанов.

Добыча и получение цветных металлов имеют огромное народнохозяйственное значение. Ведь в ряде случаев цветные металлы просто незаменимы. Хотите убедиться в этом? Тогда прочитайте следующую статью.

ПРИМЕНЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ. СПЛАВЫ

Последнее издание Большой советской энциклопедии приводит список из двадцати одного названия цветных металлов, которые нигде не используются. С момента выхода тома, где напечатан этот список, прошло всего несколько лет, но уже можно, не задумываясь, вычеркнуть из него добрую половину названий. Ведь в него попали, например, неодим и гадолиний, придающие, как теперь известно, теплостойкость магнию; туллий, радиоактивный изотоп которого стал основой создания переносного рентгеновского аппарата. Нашлось применение и для некоторых других цветных металлов, объявленных было «бездельниками».

Что же говорить о давно признанных цветных металлах? Человек без них уже как без рук. Алюминий - король воздуха. Его соперник в авиации - титан. Титановые сплавы несколько тяжелее лучших алюминиевых, но прочнее их в 3-4 раза и выдерживают вдвое более высокую рабочую температуру.

Зато алюминий начинает понемногу теснить медь в электропромышленности, олово - в изготовлении консервных банок, свинец- в оболочках электрокабелей. Он проник в

Идет большой ток, идет на большие расстояния, и дорога у него обычно медная.

строительство: из него для ряда здании делают оконные рамы и переплеты, различные облицовочные детали. Появляются и цельно-алюминиевые здания.

Медь по-прежнему незаменима в электропромышленности, она идет на подшипники, используется при изготовлении ряда лекарств. Давно кончились медный и бронзовый века, но потребление меди с каждым годом увеличивается и расширяется.

Ртуть тоже обслуживает одновременно многие отрасли хозяйства - медицину (сулема и многое другое), горное дело (гремучая ртуть в детонаторах), электротехнику (ртутные выпрямители) и т. д.

Золото и платина доказали в последние годы, что их не зря называют и благородными и драгоценными. Но истинная причина, конечно, не в их красоте. Золото оказалось хорошим сварочным металлом и используется сейчас в ядерных реакторах, в деталях ракет и самолетов (прежде всего в реактивных двигателях).

Перед платиной тоже широко открыты двери атомной и реактивной промышленности, электроники и т. д. Но, может быть, самые многообещающие возможности - в ее качествах как катализатора. Это, пожалуй, лучший из известных нам неорганических ускорителей химических реакций.

Совсем неожиданная вещь произошла с серебром. Промышленность требует его больше, чем дает сегодня горное дело! Идут в переплавку серебряные монеты и слитки из банковских подвалов. Соединения серебра входят в состав кино- и фотопленок; серебро губит бактерии, поэтому им покрывают поверхности многих устройств в пищевой и консервной промышленности; чистое серебро, благодаря своей высокой электропроводности, становится материалом для изготовления ответственнейших деталей во многих приборах.

Бериллий замедляет нейтроны в атомных реакторах, в сплаве с медью поставляет сверхупругие пружины, сверхпрочные клапаны и подшипники. А в сплаве с алюминием он готов соперничать с титаном в самолетостроении.

Стронций великолепно поглощает газы. Он же повышает твердость меди, свинца, используется красильщиками, добавляется в оптическое стекло.

Рубидий и цезий (вернее, их соединения) теснят натрий и калий в аккумуляторах, завоевывают фотоэлементы.

Так - одни больше, другие меньше - показали себя в технике цветные металлы. Надо, однако, сразу оговориться. Практически все они очень редко применяются в чистом виде. Цветные металлы сильны своей дружбой, союзом между собой или с черными металлами.

Сплавы... Кто не знает бронзу - медь, олово, алюминий, свинец; латунь - медь плюс цинк; сталь - сплав железа с углеродом плюс вольфрам или хром, никель, кобальт или марганец... А порой сплав включает в себя сразу несколько металлов, понемногу, конечно. Так, дюралюминий - сплав авиации - включает в себя, кроме самого алюминия, 5% меди и по 1 % марганца и магния.

В электротехнике применяются сплавы алюминия с магнием, кремнием и кадмием.

Нихром - сплав никеля с хромом - пошел на спираль электроплитки. Это - награда за высокое сопротивление и устойчивость против окисления. Еще более почетная работа У Других сплавов никеля и хрома. За стойкость при высоких температурах они стали материалом лопаток реактивных двигателей, деталей газовых турбин, жаропрочных труб. Еще улучшает их качество прибавка кобальта.

Можно поручиться, что вы не видели ни одного предмета, сделанного из феррониобия- сплава, который на 60% состоит из ниобия, на 40% из железа. Дело в том, что в таком виде поступает ниобий в цехи, где его вводят в сталь. В конечном счете его оказывается там меньше одного процента. Но и этого достаточно, чтобы повысить стойкость стали к воздействию высоких температур и кислот.

Хром придает сталям особую твердость. Из хромистой стали изготовляют скальпель хирурга и резец токаря, бритву и сверло. Благодаря добавлению вольфрама в металл, из которого делают резцы, достигнуты современные скорости резания металлов - тысячи метров в минуту. «На стали» главным образом работают ванадий и марганец, молибден и рений... Без этих «витаминов стали», как их часто называют, невозможна современная промышленность.

МЕТАЛЛ И ФОРМА

Посмотрите вокруг себя. Вы найдете массу вещей, изготовленных при помощи литья. Радиаторы центрального отопления - это чугунное литье; и в обыкновенной печи дверцы, колосники, вьюшки - литые чугунные. Мясорубка, жаровня, ступка тоже отлиты из чугуна и других сплавов. Но всего больше литых деталей в разных машинах. В общем весе многих машин, особенно технологических, вес литых деталей составляет до 90%.

Никаким другим способом нельзя придать металлу такие замысловатые формы, какие получают литьем, т. е. используя свойство жидкости приобретать форму сосуда. Метод изготовления изделий литьем позволяет наиболее целесообразно распределить металл в изделии. Где деталь подвергается большей нагрузке, сечение делают большим, а места, на которые падает небольшая нагрузка,- более тонкими. При этом точными методами литья (см. ст. «Ли-

Создание любой машины начинается в литейном цехе. Вверху - деталь корпуса турбины, она отлита из чугуна; внизу - поршень автомобильного двигателя, отлитый из алюминиевого сплава.

тейные без земли») удается изготовлять детали сложной конфигурации, и настолько точно, что они почти не требуют последующей обработки на станках.

Литейное производство было и остается основой всего машиностроения. По выпуску отливок черных металлов СССР занимает первое место в мире.

Деталь и металл

Отливки делают обычно не из чистых металлов, а из их сплавов чугуна, стали, бронзы, латуни, баббита, дюралюминия.

У конструктора большой выбор металлов и сплавов, и он тщательно взвешивает достоинства и недостатки каждого. Для литья имеет значение не только прочность сплава. Важно знать, хорошо ли он льется, как быстро затвердевает, какую дает усадку, т. е. насколько он уменьшается в объеме при затвердевании.

Возьмите разные жидкости - воду, керосин, подсолнечное масло, сметану. Попробуйте вылить на блюдце несколько капель каждой из этих жидкостей, и вы увидите, что вода и керосин растекаются гораздо быстрее сметаны. Они обладают, как говорят металлурги, лучшей жидкотекучестью. Так же и металлические сплавы: одни растекаются так же быстро, как вода, другие очень медленно. Если сплав в жидком состоянии подвижен и невязок, то он легко заполнит любую сложную форму, быстро проникнет в ее тончайшие извилины. Из такого сплава можно получать отливку с тонкими стенками. Из сплавов, которые расплываются медленно, лениво,

В современных литейных цехах все операции по приготовлению и подвозу формовочной земли механизированы.

тонкостенную отливку не получишь; они могут застыть прежде, чем успеют заполнить все извилины формы. Из таких сплавов можно изготовлять лишь отливки простейших форм.

Разные сплавы обладают разной усадкой. Если этого заранее не предусмотреть, в отливке могут оказаться трещины. Сплавы с низкой жидкотекучестью часто образуют усадочные раковины, и внутри отливки остаются пустоты.

Чугун - один из лучших литейных сплавов, он оттеснил даже сталь, несмотря на то что она прочнее и не такая хрупкая. Объясняется это тем, что сталь по литейным свойствам уступает чугуну и обладает меньшей жидкотекучестью. Поэтому при работе с ней приходится прибегать к различным ухищрениям, добиваясь, чтобы металл заполнил всю форму, чтобы в отливке не образовались трещины или раковины.

Вот сколько различных обстоятельств необходимо учитывать при выборе материала для отливки. Немало надо подумать и о литейной форме или, вернее, о методах литья.

Литейная форма

Задача литейщика - получить заготовку, которая по форме и качеству поверхности была бы близка к детали и требовала минимальной дополнительной обработки на станках. При этом принимаются во внимание затрата материалов и труда, возможности механизации процессов и другие факторы, определяющие экономичность. Существуют различные методы литья.

Самый древний - литье в песчаноглинистые формы, или, как говорят, литье в землю. Недостаток этого метода заключается в том, что песчано-глинистые формы пригодны лишь для разового пользования.

Для получения отливок применяют также полупостоянные формы, их делают из особых, обжигаемых при высокой температуре (600-700°) смесей. Они служат обычно 40-50 раз. Очень эффективны постоянные металлические (кокильные) формы, которые можно использовать для заливки металла сотни и даже тысячи раз.

Стремление сделать такие отливки, которые не требовали бы дополнительной обработки на станках, породило многочисленные методы точного литья: в оболочковую форму, под давлением, кокильное, центробежное и др. Ниже мы остановимся на этих методах подробнее.

Однако основная масса литья (до 85%) пока производится в разовых песчано-глинистых формах. Посмотрим же, как получаются такие отливки.

Литье в землю

Чтобы отлить даже простое изделие, например втулку из чугуна, нужно проделать очень сложную работу, выполнить множество операций. Сначала в модельном цехе изготовляют модель втулки. Ее обычно делают из дерева или металла, она разъемная и состоит из двух половинок. Затем в землеприготовительном отделении литейного цеха подготавливают из земли и различных добавок формовочную смесь. Но у втулки есть внутреннее отверстие - значит, необходимо приготовить еще одну смесь - для стержней. Назначение стержней - заполнить те места в форме, которые в детали, в данном случае во втулке, соответствуют отверстиям.

Итак, смесь для формы готова. Формовщик делает земляную форму втулки. Он берет одну половину модели и кладет ее на металлическую плиту - подмодельную доску. На эту же плиту он ставит металлический ящик без дна -опоку- так, чтобы внутри него оказалась половина модели. После этого опоку плотно набивают формовочной землей, а затем переворачивают, чтобы половинка модели оказалась разъемом вверх. На эту опоку формовщик ставит еще одну. В стенках опок снаружи сделаны петли. В них вставляются металлические штыри, и таким образом две опока скрепляются друг с другом.

В верхнюю опоку кладется вторая половинка модели так, чтобы она точно попала на первую. Формовщик вставляет в верхнюю половину опоки два деревянных конусных брусочка. Если брусочки извлечь, в форме останутся два отверстия. В одно можно заливать металл, а другое служит для выхода воздуха и газов. Теперь и эту опоку тоже можно заполнить смесью и хорошо уплотнить. Плотность земли всюду должна быть одинаковой.

Теперь из земли надо вынуть деревянную модель. Для этого верхнюю опоку осторожно снимают с нижней и вынимают обе половинки модели; в земле остаются четкие отпечатки двух половинок втулки. Их и уже приготовленный стержень покрывают особой краской- противопригарной. Затем в полость формы вставляют стержень и прорезают в земле

Чтобы изготовить в земляной форме литую деталь, прежде всего надо сделать деревянную модель (А). Затем половину модели и опоку кладут на подмодельную плиту и засыпают землей ( Б). Землю в опоке уплотняют и переворачивают ее вместе с землей и моделью. На перевернутую опоку ставят вторую половинку модели и вторую опоку, скрепляют ее с первой, а затем тоже засыпают землей и уплотняют ( В). Земляная форма готова. Поэтому деревянную модель теперь вынимают из нее ( Г), а в форму вставляют стержень ( Д), снова собирают форму и заливают металлом (Е). Готовую деталь выбивают из земли (Ж), вынимают из нее стержень, отделяют литник ( З), и деталь готова для дальнейшей обработки на механических станках.

В цехах массового производства для перемещения опок и их заливки установлены формовочно-заливочные конвейеры.

канал, соединяющий отверстия для заливки с полостью формы,- литниковый ход. Нижнюю половину опоки снова накрывают верхней и на нее накладывают груз. Все готово: в земляной массе получилась форма совершенно такая же, как втулка; после того как форма немного подсохнет, в нее можно заливать металл.

Подводят ковш, и жидкий металл заливают в отверстие формы. Отливка готова. Нужно только подождать, пока она остынет, и тогда ее можно вынуть - выбить из формы.

Однако на полученной отливке остаются наросты от литникового хода и отвода для газа - выпора. Их легко отделить одним-двумя ударами молотка. После этого остается только очистить отливку от приставшей формовочной земли.

Литейщикам приходится иметь дело с большими массами песка и других сыпучих материалов. Так, для получения одной тонны отливок требуется около 5м³ формовочной смеси и 0,5-0,7м³ стержневой. Это в 40 раз больше объема, нужного для отливки металла. Легко представить, как тяжел был труд литейщиков, когда подвоз земли, приготовление смеси, перенос опок с места на место производились вручную или на тачках. В современных литейных цехах все операции, включая транспортные, механизированы и автоматизированы.

Вы входите в современный литейный цех. Вас встречает шум мерно отбивающих такт формовочных машин. Для перемещения опок и их заливки служат заливочные конвейеры - цепь тележек, движущихся с небольшой скоростью по рельсам. Сборщики сталкивают формы на тележки и их на ходу заливают металлом. За время, пока форма по конвейеру достигнет выбивного участка, она успеет остыть. Кран снимает форму с конвейера. Пустые опоки возвращаются к формовщикам. Дальше отливки разными способами очищают от приставшей земли. Наиболее совершенный из них - гидравлический (очистка водой).

А теперь остановимся на специальных видах литья.

Литейные без земли

Кокиль - французское слово, в переводе на русский язык означает «раковина». Это толстостенная металлическая форма. К ней прибегают тогда, когда необходимо изготовлять большое количество одинаковых отливок.

Перед заливкой металла в одну из половин кокиля вставляют стержни. Затем две половины: кокиля соединяют и плотно скрепляют. В собранный таким образом кокиль заливают жидкий металл. Здесь он очень быстро затвердевает. Через несколько минут после заливки деталь можно уже вынуть. Затем внутреннюю поверхность кокиля продувают сжатым воздухом, прокрашивают и... снова начинают литье. Таким образом, в один и тот же кокиль можно заливать металл в течение нескольких часов подряд и за это время получить сотни и даже тысячи отливок.

Этот способ имеет много преимуществ перед литьем в земляные формы. Не нужна формовоч-

ная земля, отпадает необходимость во многих машинах: землесмесительных, формовочных, кранах и т. д. Улучшаются условия труда, повышается производительность, а отливки получаются такими точными, что не нуждаются в дальнейшей обработке на станках. Но зато на производство самих кокилей приходится затрачивать много дорогостоящего металла, труда и времени. Однако в конечном счете эти дополнительные затраты оправдываются, кокильное литье находит на наших заводах все более широкое применение.

Литье под давлением. Мы уже знаем, что литейные сплавы отличаются разной степенью жидкотекучести. Но оказалось, что если подвергнуть слой жидкого металла усиленному давлению, то металл можно заставить течь быстрее. Однако обыкновенные кокили не выдерживают высокого давления и разрушаются. Поэтому для литья под давлением изготовляют пресс-формы из специальной стали. (Этот метод литья иногда называют еще пресс-литьем.) Жидкий металл

Кокиль-толстостенная металлическая форма. Отливки в такой форме получаются такими точными, что не требуют дальнейшей обработки на станках. А - стержень вставляется в кокиль; Б - через отверстие в промежуток между кокилем и стержнем заливается расплавленный металл; В - деталь готова.

Литье под давлением, или пресс-литье,- еще один вид точного литья.

входит в форму не под действием силы тяжести, а как бы впрессовывается в нее под давлением сжатого воздуха или поршня. Металл при этом быстро затвердевает.

Этот способ литья применяется главным образом при отливке деталей из легких и цветных металлов: из цинковых, алюминиевых, магниевых и медных сплавов. Машины для литья под давлением способны выпускать по нескольку тысяч отливок в смену. Таким способом можно получать отливки с очень тонкими стенками.

Литье по выплавляемым моделям. Поиски лучших методов литья привели к еще одному решению: делать модели не из дерева или металла, а из особого легкоплавкого воскообразного вещества. Такую модель покрывают огнеупорной керамической оболочкой и заформовывают в опоку. Горячий металл расплавляет воск (парафин, стеарин) и занимает его место.

Впрочем, этот метод не нов. Так в начале прошлого столетия делал отливки знаменитый мастер художественного литья В. П. Екимов. Смысл способа в том, что модель не надо извлекать из формы, она сама выплавляется. Поэтому такой способ и называют литьем по выплавляемым моделям. Это позволяет получать из чугуна, стали и бронзы очень точные отливки. Кроме того, этот процесс, что очень важно, хорошо поддается автоматизации.

Корковые (оболочковые) формы. Иногда формы делаются не парафиновые или восковые, а из песчано-смоляных смесей (кварцевый песок и небольшое количество порошка особой искусственной смолы - пульвер-бакелита). Смола при нагреве до 200-250° плавится, обволакивает зерна песка, а затем затвердевает и скрепляет их между собой. При

Иногда формы делают из песчано-смоляных смесей. Литье в такие формы называется корковым. При этом способе не нужно ни опок, ни большого количества формовочной земли, ни металла для кокилей и отливки получаются достаточно точными. Вверху - матрицы; в середине (два ряда) - изготовление формы; внизу - заливка металла и разъем формы с готовой деталью.

этом способе также не надо ни опок, ни большого количества формовочной земли, ни металла для кокилей. Правда, отливки получаются не такими точными, как при литье по выплавляемым моделям, но гораздо точнее, чем в земляных формах. Этот способ сейчас широко распространяется.

Центробежный способ литья. Он основан на использовании центробежной силы, прижимающей металл к стенкам формы. Давление достигает нескольких атмосфер и позволяет получать отливки высокого качества. Этот способ очень эффективен.

В последние годы литейное производство усиленно механизируется и автоматизируется, уже созданы первые автоматические литейные цехи, например цех-автомат, изготовляющий поршни для автомобилей из алюминиевого сплава. На всем пути - от поступления в цех брусков сплава до упаковки поршней - человеческая рука к ним не прикасается. Отливки здесь получают не в земляных формах, а в металлических - кокилях.

Для контроля за качеством отливок в литейных цехах применяют спектральный анализ, гамма-дефектоскопы, ультразвук и др. (см. ст. «Дефектоскопия»).

КОВКА-ШТАМПОВКА

С того времени, как человек узнал железо, он начал искать способы сделать его крепче, надежнее и в то же время придать ему нужную форму. Губчатое железо в холодном состоянии били колотушками, чтобы «выжать из него соки», т. е. удалить примеси. Затем, чтобы легче было придать металлу нужную форму, догадались бить его в нагретом состоянии. Этот способ называли горячей ковкой.

Ковка один из самых старых методов обработки металлов. Орудиями труда кузнеца в далеком прошлом были наковальня, молот и простейшие инструменты: бородки, зубила, гладилки и т. п. В XVI в. появились молоты, которые приводились в действие энергией движущейся воды (водяной привод). Это дало возможность увеличить вес молота (падающего бойка) в 10- 15 раз - до 400 кг. Сила его удара, естественно, значительно возросла.

С появлением паровых машин открылись новые возможности для увеличения силы удара молота. Почти одновременно с паровозом родился паровой молот. Его боек (его называют еще бабой) весил уже несколько тонн. Но и этого оказалось мало! Все увеличивавшийся вес изделий (валы кораблей, стволы пушек) требовал более мощных молотов.

Появились прессы, которые сдавливали крупные, хорошо нагретые стальные слитки и этим придавали им нужную форму. В то же время (60-70-е годы прошлого века) появились прокатные станы (см. ст. «Черная металлургия»). Но кузнечная обработка не потеряла после этого своего значения. В наше время она получила новое развитие. Ковкой не только придают металлу нужную форму, но и одновременно улучшают его качество: делают его более однородным и прочным.

Схема процесса точного литья по выплавляемым моделям: 1 - формовка восковой модели; 2 - из отдельных моделей собирается «елочка»; 3 - на «елочку» наносится слой керамического порошка; 4 - из керамической формы выплавляют воск; 5 - форма заливается снаружи керамикой, это делает ее более прочной; 6 - еще прочнее форма становится после обжига; 7 - теперь форму можно заполнить расплавленным металлом; 8 и 9 - после остывания металла остается разбить форму и разобрать «елочку» - теперь уже металлическую - на отдельные детали.

«Критические точки» Чернова: а - нижний предел, до которого нужно нагреть сталь при закалке; в - вторая критическая точка, она зависит от содержания углерода в стали; между х и с - температура плавления стали разных марок.

Искусство нагревать металл

Процесс ковки основан на природных пластических свойствах металлов. Однако когда металл холодный, эти свойства проявляются крайне слабо или вовсе исчезают. Поэтому, для того чтобы металл стал пластичным, его нагревают до температуры свыше тысячи градусов. Искусство нагревать металл очень сложное и тонкое. Кузнец или штамповщик должен помнить, что сталь каждой марки (или другой сплав) требует особого температурного режима. Ведь металлы - тела кристаллические. Каждый кристалл состоит из определенного числа симметрично расположенных и образующих те или иные геометрические формы атомов. Кристалл железа - это куб. Атомы в нем размещаются двояким образом. В одних случаях они располагаются в вершинах и центре куба, образуя так называемую объемноцентрированную решетку, в других - еще и посередине каждой грани. Такая решетка называется гранецентрированной. Легко понять, что во втором случае атомы размещены теснее, чем в первом. И чем теснее располагаются атомы в кристаллах, тем прочнее металл.

Одно и то же железо может пребывать в том или ином кристаллическом состоянии. Оно меняется по мере нагрева или, наоборот, при остывании. Да и размер самого куба не остается неизменным. В одних случаях грани куба больше, в других - меньше. Эта важнейшая особенность железа называется аллотропией. Ее открыл в 1868 г. русский ученый Д. К. Чернов.

Ковка улучшает структуру металла: 1 - крупнозернистая

структура; 2 -с зернами, вытянутыми в одном направлении

Им были определены так называемые критические точки (температуры), при которых происходит перестройка кристаллов. Впоследствии оказалось, что такие перестройки характерны не только для железа, но и для других металлов.

Поэтому, нагревая металл для ковки, необходимо очень строго соблюдать температурный режим. Если металл перегреть, то кристаллы (зерна), из которых он состоит, сильно увеличатся и металл станет непрочным; если недогреть, они не будут поддаваться ковке. В зависимости от того, сколько углерода содержится в стали, критические точки сдвигаются в сторону более высоких или более низких температур. Поэтому сталь с разным содержанием углерода нагревают по-разному.

Чтобы нагревать высококачественные стали, строят печи из нескольких камер, в каждой из которых поддерживают определенную температуру. В первую камеру загружают холодный металл, в ней температура 300-350°; затем, переходя из камеры в камеру, металл постепенно нагревается до 1050-1250°.

Очень крупные слитки нагревают в больших однокамерных печах. Под (пол) в этих печах выдвижной - на нем слиток въезжает

в печь и выезжает после нагрева. В момент загрузки температуру в печи снижают до 300°, а затем ее постепенно повышают.

От устройства печей зависит скорость и качество нагрева металла. Печи бывают пламенные и электрические. Раньше пламенные печи работали на угле или нефти и в кузницах было дымно, чадно. Современные кузницы работают преимущественно на природном газе. Это значительно улучшило условия труда. Еще более благоприятны условия труда при нагреве поковок электричеством. Широко применяются для этого токи высокой частоты.

Два способа ковки металлов

Существуют два способа ковки - свободная ковка и штамповка.

При свободной ковке заготовку, которую нужно отковать, кладут, не закрепляя, на неподвижную подставку - наковальню, над которой- вниз и вверх ходит молот боек. Быстро опуская и поднимая боек, по металлу наносят удары. При этом металл расплющивается (кузнецы говорят «течет»). Ширина и длина заготовки увеличиваются, а толщина уменьшается. После того как заготовку обожмут с одной стороны, ее поворачивают на 90° и вновь куют. Такие операции совершаются до тех пор, пока металл не примет нужной формы. Получается поковка.

Очень крупные детали куют на гидравлических прессах. Разница между прессом и молотом в том, что молот ударяет по заготовке, а пресс давит на нее.

Свободной ковкой молотами и прессами можно обрабатывать заготовки любого веса - и самые маленькие, и очень крупные, до 200т, например поковки для турбин наших гигантских электростанций. Однако таким способом невозможно изготовить детали точных размеров и форм. Поковки приходится потом обрабатывать на станках, превращая большую часть металла в стружку. Часто бывает и так: поковку ставят на станок при помощи крана, а деталь снимают руками. На обработке поковок занят большой парк металлорежущих станков, тратится огромное количество инструмента.

Из сказанного ясно, что метод свободной ковки не наилучший; к нему прибегают лишь тогда, когда надо изготовить одну или небольшое количество одинаковых деталей. В массовом производстве, например на автомобильных, авиационных, вагоностроительных заводах, детали не куют, а штампуют.

Штамповка по сути дела - та же ковка, но здесь «течение» металла ограничено формой - штампом.

Штамп состоит из двух половин. Нижняя половина закреплена на наковальне неподвижно, а верхняя прикреплена к бабе молота и перемещается с ней вверх и вниз. Металл укладывают на нижний штамп. Под ударами молота

он заполняет полость штампа, принимая ее форму, так как «течение» металла ограничено стенками штампа. Заготовки, полученные таким способом, называют штамповками. По форме и размерам они значительно больше приближаются к изделию, чем заготовки, полученные свободной ковкой. А значит, при последующей обработке в стружку уходит меньше металла.

Есть и еще преимущество: отштамповать деталь можно гораздо быстрее, чем отковать. За время, в которое обычный молот откует одну или две детали, молот со штампом сделает десятки, а то и сотни деталей.

А насколько штамповка выгоднее других способов, можно судить по следующему примеру. Тридцать с лишним лет назад, когда в Москве только начинали делать автомобили, коленчатые валы вырезали из стальной полосы. При этом в стружку уходило около двух третей металла. Затем валы стали ковать. С поковок, полученных свободной ковкой, приходилось снимать «только» половину металла. Теперь коленчатые валы штампуют. Потери уменьшились до одной трети, но все же еще велики.

В последние годы машиностроители стали применять новые высокопрочные и очень дорогие материалы. Поэтому перед технологами кузнечного производства встала задача - добиться еще более точных штамповок, чтобы и по форме, и по размерам они максимально

Штамповка под прессом: 1 - матрица; 2 - пуансон; 3 -заготовка; 4 - готовая деталь.

приближались к изделиям. Эта задача теперь решена, и на ряде заводов уже производят крупногабаритные точные штамповки.

Почему же совсем не отказаться от свободной ковки? Потому что изготовить штамп сложно и дорого; его делают из очень крепкой стали и очень точно. Поэтому к штамповке прибегают в тех случаях, когда нужно изготовить достаточно большое количество одинаковых деталей. Только тогда затраты на изготовление штампов оправдываются.

Ковочные машины

Свободную ковку производят паровоздушными пневматическими молотами.

Простейший паровой молот состоит из массивной станины, в верхней части которой находится рабочий цилиндр, а в нем поршень, который передвигается вверх и вниз (как в велосипедном насосе). На конце поршня шток, к которому прикреплена тяжелая стальная баба - молот. В цилиндр, в пространство под поршнем, под высоким давлением подают пар. Поршень вместе со штоком и бабой поднимается вверх. Сильно сжатый под поршнем пар удерживает тяжелый молот. Нагретую заготовку кладут на наковальню, укрепленную на чугунном или стальном основании.

Все готово. Можно начать ковку. Пар из-под поршня выпускают и нагнетают его в пространство над поршнем: баба падает, наносит удар по заготовке и давит на нее. Так, попеременно впуская и выпуская пар, поднимают и опускают бабу. Она ударяет по заготовке, обжимает ее. Заготовка постепенно меняет форму, металл «растекается».

Но вот ковка закончена. Деталь обхватывают цепями, кран поднимает и уносит ее. Тотчас подвозят следующую заготовку.

Тяжелые паровые молоты постепенно вытесняются гидравлическими прессами. Мощности их непрерывно растут. Еще недавно максимальное давление прессов не превышало 10 тыс.т. В последнее время на советских заводах сконструированы и построены ковочные прессы давлением в 30-40 и более тысяч тонн. Это очень мощные сооружения. Фундаменты, на которые они опираются, уходят глубоко в землю - на десятки метров. Чтобы привести их в действие, требуются электрические машины огромной мощности.

Штамповочные молоты мало чем отличаются от молотов для свободной ков-

На штамповочных молотах можно обрабатывать огромные детали. Тут человеку на помощь приходит механический «кузнец» - манипулятор. Он легко кладет на наковальню и снимает тяжелые заготовки.

ки. Если штамповщик нажимает педаль, то баба автоматически поднимается. Часть металла при штамповке вытекает в промежуток между двумя половинками штампа и образует заусенец, который затем удаляют на обрезном штампе.

Штампы бывают одноручьевые и многоручьевые (ручьи - это углубления в нижней, неподвижной части штампа, от формы которых зависит конфигурация детали). При работе на одноручьевом штампе заготовку, предварительно подготовленную свободной ковкой, приходится перекладывать с пресса на пресс, со штампа на штамп, пока она не примет нужной формы. А на многоручьевом штампе всего за несколько ударов молота, перебрасывая заготовку из ручья в ручей, можно изготовить сложную деталь.

Разновидность штамповочных молотов - горизонтально-ковочные машины. Их применяют для горячей штамповки деталей из прутков: колец, втулок и т. д.

У этих машин штампы обычно многоручьевые. Они состоят из матрицы и пуансона. Матрицы здесь - два металлических полукруга, а пуансон - крепкий стальной стержень. Смыкаясь, матрицы (двигаются они по горизонтали, отсюда и название машины) зажимают пруток и таким образом образуют нужную форму изделия. В то же время укрепленный на специальном ползуне пуансон (тоже двигающийся по горизонтали) заходит в эту образованную матрицей полость, пробивает заготовку (пруток) и отрезает ее.

Этим методом изготовляют, например, кольца для подшипников.

Автоматический «кузнец»

Современная кузница мало похожа на кузницы старых заводов. Пар, вода, сжатый воздух и электричество освободили человека от самой тяжелой работы. Человеческая сила больше не участвует в формировании поковки или штамповки. Современный кузнец - механик при кузнечной машине или даже при целой автоматической линии из кузнечных машин. Такие линии, например, успешно действуют на автомобильных заводах. На них делают коленчатые валы двигателей и другие детали.

Заглянем в кузнечный цех одного из наших промышленных гигантов - Уральского завода тяжелого машиностроения. На этом заводе делают мощные блюминги и прокатные станы, оборудование для доменных и мартеновских

печей, шагающие экскаваторы, буровые установки для нефтяных промыслов и для проходки стволов шахт...

Чтобы изготовить такие машины, нужны огромные поковки. Их приходится делать на мощных молотах свободной ковкой. Вот подъемный кран с помощью гигантской «вилки» вытаскивает из печи слиток и переносит его на наковальню молота.

Нигде не видно кузнецов. Вдруг раздается вой сирены. По широкой рельсовой колее, проложенной поперек пролета, к молоту подъезжает металлическая будка на четырех катках.

Схема процесса формовки металла взрывами. Вверху: над формой укрепляется лист металла, между ними создается вакуум; на точно рассчитанном расстоянии над деталью подвешивается взрывчатое вещество; затем все погружается в воду (вода равномернее распределяет взрывную волну, чем воздух). Внизу: происходит взрыв, и взрывная волна с удивительной точностью вдавливает металл в форму.

Раньше при изготовлении болта надо было сделать 5-6 операций на различных станках. И возле каждого из них оставалась стружка. А при холодной высадке - нажим пресса, и болт готов!

Это так называемый манипулятор - механический «кузнец». Из передней стенки у него выдается массивный стальной хобот. Он захватывает край слитка, зажимает его, кладет на наковальню, и... молот начинает свою работу. Вот поковка готова, хобот опять захватывает ее и аккуратно снимает с молота. Кто же руководит этой работой стального «кузнеца»? Машинист из кабины манипулятора. Перед ним табло с кнопками, рычаги, с их помощью он приводит в действие механизмы молота, перемещает слиток. Манипулятор освободил от тяжелой работы по крайней мере семь человек.

Поиски новых, более совершенных путей формообразования металла привели к мысли использовать для этой цели энергию направленного взрыва, производимого в воде. Штамповка взрывом имеет большое будущее, так как ей поддаются даже самые твердые металлы. На рисунке (стр. 241) ясно видно, как происходит этот прогрессивный технологический процесс.

Прессование и холодная высадка

Штамповка бывает и холодной. В этом случае она называется прессованием. При прессовании из листа металла или пластмассы вырубают (вырезают) деталь, а затем придают ей в специальных штампах или при помощи гибочных станков нужную форму. Так делают детали, начиная от маленьких шайбочек и кончая кузовами автомобилей, самолетов, холодильников. Только прессы, конечно, для этих деталей используют разные: для шайбочек - чуть повыше обычной тумбочки, а для панелей автомобильного кузова - с двухэтажный дом.

Наряду с прессованием деталей из листа в машиностроении все шире применяется метод холодной высадки - детали получают на механических прессах без нагрева из металлических заготовок. При этом методе ширина одной части заготовки увеличивается за счет ее высоты, и наоборот. Так из различных металлов и сплавов, а также из пластических масс делают простые шайбы, болты и т. д.

Метод холодной высадки, благодаря своей экономичности, все больше вытесняет на машиностроительных заводах механическую обработку деталей на металлорежущих станках. Дело в том, что при холодной высадке деталей не образуется стружки, поэтому этот способ прозвали еще безотходным. Например, раньше, чтобы изготовить болт, надо было произвести 5-6 операций на различных станках: фрезерном, токарном, резьбонарезном. И каждый раз со станка свисала металлическая стружка. А теперь нажим пресса - и вылетает совершенно готовый болт.

ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

В двигателе автомобиля есть такая деталь - направляющая втулка клапана. Она постоянно испытывает трение. Да еще при очень высоких температурах. Раньше эти втулки делали из чугуна, но они быстро выходили из строя, не выдерживая больших нагрузок. Решили заменить чугун другим материалом - более стойким к трению и высоким температурам. И вот стали делать втулки из ... порошков - из железных порошков с примесью графита. Автомобилисты перестали жаловаться на недолговечность втулок.

Метод изготовления деталей из металлических порошков сравнительно молодой. Его возраст - всего несколько десятилетий. Но он уже завоевал себе широкую известность и, благодаря ряду преимуществ, подчас вытесняет такие старые, испытанные способы, как литье, ковка и штамповка.

Прежде всего - экономичность. Дело в том, что порошки можно делать из любых металлических отходов, даже, например, из окалины, которую ни в каких других металлургических

Путь металлокерамической детали начинается с приготовления порошков.

процессах использовать нельзя. Кроме того, детали из порошков можно сразу делать очень точно. Они почти не требуют последующей механической обработки, а поэтому и отходов получается мало. И главное, детали, полученные таким способом, имеют большую стойкость к износу.

Преимущества порошковой металлургии заключаются еще и в простоте технологического процесса. Технология эта не нова, она позаимствована металлургами у мастеров керамики. Красивая керамическая статуэтка и уже знакомые нам втулки проходят приблизительно одинаковый путь: и ту и другую сделали из порошков (только основное сырье у керамики - глина, песок, керамический бой, а у нашей втулки - металл), и та и другая побывали в раскаленных печах. И в результате та и другая по структуре своей получились пористыми. Эта общность процессов и некоторых свойств дала деталям из металлических порошков название металле керамических.

Путь к металлокерамической детали начинается с приготовления порошков. Порошки бывают различного «помола», различны и способы их приготовления. Кусочки, обрезки проволоки, стружку дробят или перетирают в шаровой мельнице (шаровой способ). В мельнице другой конструкции с помощью вентиляторов создают внутри воздушные вихри: сталкиваясь друг с другом, кусочки металла сами измельчают себя (вихревой способ). Применяют и специальные дробилки с падающим грузом.

Легкоплавкие металлы распыляют в жидком виде: разбрызгивают под давлением сжатого воздуха, а затем направляют на размельчнтель- быстро вращающийся диск. Застывшие капельки металла разбиваются на мельчайшие частички. Прибегают и к помощи электрического тока, восстанавливая металл электролизом из растворов и расплавов. Он получается хрупким и легко превращается в мельнице в порошок. Применяют и химические методы.

Но вот порошок получен. Теперь его прессуют в стальных пресс-формах под давлением 1000-6000 кг/см². Частички металла сближаются и плотно сцепляются друг с другом. Прессование производят на механических и автоматических прессах (см. ст. «Ковка-штамповка»), оно бывает холодным и горячим.

Однако после прессования детали не обладают еще достаточной механической прочностью. Чтобы они были совсем готовы, их надо обработать с помощью высоких температур, или, иначе говоря, произвести спекание. При этом частички металла расплавляются и соединяются друг с другом, образуя плотную однородную массу. Теперь деталь готова. Иногда для упрощения процесса прессование объединяют со спеканием. При горячем прессовании материал подвергается одновременно и давлению, и нагреву. В этом случае нагревают порошок током, причем можно использовать токи высокой частоты (см. ст. «Обработка токами высокой частоты»). Такое совмещение экономит время, и готовую деталь иногда получают за несколько минут.

Методом порошковой металлургии делают многие детали, поверхность которых испытывает трение: подшипники, уже знакомые нам направляющие втулки, щетки электродвигателей и т. д. Дело в том, что металлокерамические изделия, благодаря своей пористости, хорошо держат смазку. Иногда пористые подшипники пропитывают маслом, которое постепенно выдавливается и смазывает трущиеся поверхности. Такие самосмазывающиеся подшипники очень экономичны. Они расходуют мало масла, меньше изнашиваются, и изготовить их металлокерамическим путем можно

Когда порошок получен, его прессуют в стальных пресс-формах под давлением 1000-6000 кг / см².

из более дешевых материалов - вместо бронзы и баббита применить железо.

Пористость деталей, сделанных из порошков, при необходимости можно увеличивать, добавляя в металлические порошки графит. Кроме того, графит и сам хорошая смазка. В прессованный подшипник, содержащий графит, масло вводить уже не обязательно.

Пористые материалы нужны не только для подшипников, но и для других изделий. Например, чтобы крыло самолета не покрывалось льдом, на его передней кромке укрепляют пластинки из пористого металла. Через поры на поверхность все время поступает специальная незамерзающая жидкость, которая и не дает появляться льду. Из пористой металлокерамики делают фильтры для горючих масел и газов. Они настолько дешевы, что засорившийся фильтр даже не очищают, а просто заменяют новым.

Металлокерамика славится и своей жаростойкостью. Детали из порошков применяют в тормозных устройствах (ведь при торможении выделяется много тепла) самолетов, автомобилей, сельскохозяйственных и землеройных машин. С высокими температурами приходится иметь дело в газовых турбинах и ракетных двигателях, в атомных реакторах. Здесь тоже на помощь инженерам пришла порошковая металлургия, позволяющая получать материалы с такими свойствами, каких нет у обычных сплавов,- тугоплавкие, жаропрочные, износостойкие. В этих случаях берутся смеси порошков различных металлов. Например, для изготовления особенно жаростойких деталей в порошок добавляют хром, никель, титан, молибден, вольфрам и др.

Просто и удобно изготовлять из порошков магнитные материалы - от крошечных магнитиков для приборов до огромных магнитов, кото-

рыми оборудованы многие типы современных подъемных кранов. Такие изделия можно делать из смеси магнитного порошка с пластмассовым. Это позволяет избежать процесса спекания, так как пластмасса связывает крупинки металла и без нагрева.

различными минералами. Например, в металломинералокерамике сочетается высокая стойкость минералов к нагреву и механическая прочность металлов. Эти материалы имеют большое будущее. Сейчас их уже применяют для изготовления защитных, жаропрочных покрытий, например в реактивных двигателях.

ГЕНЕРАЛЬНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛООБРАБОТКИ

Обработку металла в современной промышленности принято различать по видам и методам. Наибольшее число видов обработки имеет самый «древний», механический метод: точение, сверление, растачивание, фрезерование, шлифование, полирование и т. д. Но за последние десятилетия история технического прогресса ознаменовалась освоением новых, более совершенных методов, позволяющих совмещать отдельные виды обработки. Это электрофизический и электрохимический методы.

В сложном процессе обработки металлов сошлись своими гранями многие современные отрасли технических наук. В нем участвуют и физика (теория износа, режимы резания, тепла и давления), и радиоэлектроника (электронные установки управления), и сопротивление материалов (резцы с твердосплавными неперетачиваемыми пластинками), и электрофизика (станки ультразвукового действия), и электрохимия (обработка деталей гальваническим способом), и кибернетика (автоматизация расчетов). Это понятно, потому что на современных станках рождаются детали для самых могучих орудий человеческого труда и познания, отличающихся высокой точностью и надежностью.

Есть настоящие станки-гиганты, которые работают там, где создаются мощные гидротурбины, прокатные станы, шагающие экскаваторы. При этом они очень точны. Уникальные зубофрезерные станки, например, весом в несколько сот тонн и высотой 6 м выполняют настоящую ювелирную работу. Изделия диаметром 12 м они обрабатывают с точностью до 10-15 мк. Для контроля за ходом операций на крупногабаритных заготовках

такие станки оборудуются телевизионной аппаратурой.

Последним достижением науки в обработке металла является импульсно-световой метод, основанный на действии лазера - источника светового луча колоссального давления. «Световой станок» обладает свойством мгновенного действия, не фиксируемого во времени. Первые такие станки могут вести сверление микроотверстий в металле, но в будущем их приспособят ко всем видам металлообработки.

Будущее... Каким оно видится в заводских цехах, где из металлических заготовок рождаются детали самых невиданных конфигураций? Пульт управления, на котором поблескивают разноцветные глазки приборов, ровные ряды аккуратных станков, соединенных продольными транспортерами, и... безлюдные проходы между ними. Да, генеральное направление в развитии металлообработки - это максимальная автоматизация технологических процессов. На смену нынешним универсальным станкам, требующим персонального обслуживания, придут поточные автоматические линии или кольцевые многооперационные станки, работающие по заданной программе.

Но человек не уйдет из такого цеха. В течение смены один рабочий будет вести загрузку и выгрузку деталей, а другой - наладчик - следить за пультом управления, координировать ритм движения деталей, определять их годность, сменять инструмент и, конечно, устранять возникающие неисправности.

Комплексная автоматизация способна в 5- 7 раз увеличить производительность труда в металлообработке. И это наш важнейший выигрыш в процессе ускоренного построения коммунизма.

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛА РЕЗАНИЕМ

Что такое теория резания

Обработка резанием занимает большое место в машиностроении. Действительно, для того чтобы металлическая заготовка приобрела требуемую форму и размеры, чтобы ее поверхность была определенного качества, одним словом, чтобы заготовка стала деталью, ее нужно обработать - снять лишний металл и отшлифовать. Делают это при помощи различного инструмента на металлорежущих станках. С их помощью обрабатывают и огромные детали гигантских машин, например роторы гидротурбин с диаметром рабочего колеса свыше 9 м, гребные валы судов длиной до 30м и детали, которые без увеличительного стекла не рассмотришь.

Резанием выполняют и предварительные - обдирочные - и окончательные - финишные - операции. Финишные операции называют тонкой или чистовой обработкой. Высокое качество поверхностей (особенно трущихся) имеет большое значение: от этого зависит долговечность изделия. Поэтому часто финишные операции приходится выполнять с большой точностью - до долей микрона. Чтобы представить себе такую малую величину, достаточно сказать, что средняя толщина человеческого волоса - 50 мк !

Существует специальная техническая наука о резании металлов - теория резания. Ею занимаются многие ученые в нашей стране и за

С суппорта, изобретенного Андреем Нартовым (20-е годы XVIII в.), началась механизация процессов металлообработки.

рубежом. Основы ее заложены в XIX и начале XX в.

Главный вопрос теории резания - с какой скоростью станок должен снимать стружку, чтобы стойкость резца была наибольшей. Это очень важно: при больших скоростях резания резец нагревается, размягчается и может даже совсем выйти из строя. Чтобы этого не случилось, резец надо охлаждать. Выбор подходящего способа охлаждения также одна из важнейших задач науки о резании. Но и охлаждение помогает не всегда, а иногда даже вредит: от нагрева и охлаждения металл растрескивается. Следовательно, выбирая наилучший режим обработки детали, теории резания приходится учитывать и свойства материала изделия, и качества, форму и размеры инструмента, и условия резания, и требования к качеству поверхности, и т. д. Далеко не все здесь поддается расчетам. Поэтому большая роль в науке о резании металла принадлежит эксперименту.

Типы металлорежущих станков

Нет ни одного завода, где не работали бы металлорежущие станки - эти замечательные помощники человека. Семья их велика и разнообразна.

Тип металлорежущего станка определяется инструментом и схемой резания. Самый распространенный инструмент - резец. Им выполняют любую операцию резания. Можно сказать, что другие металлорежущие инструменты - это либо результат усовершенствования резца, либо сочетание нескольких различных резцов. Для резца наиболее характерны два способа резания: точение - при этом заготовка вращается, а резец поступательно движется вдоль ее оси и строгание - и резец и заготовка движутся поступательно. По первой схеме работают токарные станки, по второй - строгальные.

Типичный инструмент для обработки отверстий - сверло. При сверлении заготовка обычно неподвижна, а сверло вращается и в то же время движется поступательно, углубляясь в металл. Так работает сверлильный станок.

Широко и разносторонне применяется фреза. Это диск с несколькими расположенными

Токарный станок и его коробка скоростей (вверху слева): 1 - передняя бабка; 2 и 3 - рукоятки установки числа оборотов шпинделя; 4 и 5 - рукоятки увеличения шага резьб и реверсирования ходового винта; в - патрон; 7 - дополнительная резцедержавка для прорезки канавок; 8 - резцедержавка; 9 - защитный экран; 10 - суппорт; 11 - прибор для контроля нагрузки станка; 12 - замок для соединения задней бабки с кареткой; 13 - рукоятка закрепления пиноля; 14 - панель выключателей; 15 - задняя бабка; 16 - рукоятка быстрого закрепления задней бабки; 17 - маховичок перемещения пиноля; 18 - шкив ускоренного перемещения суппорта; 19 - рукоятка включения и реверсирования шпинделя; 20 - рукоятка перемещения каретки и нижней части суппорта в четырех направлениях; 21 - рукоятка продольного перемещения суппорта по каретке; 22 - рукоятка включения гайки ходового винта; 23 - рукоятка поперечного перемещения суппорта по каретке; 24 - лимб поперечной подачи; 25 - маховичок продольного перемещения суппорта по станине; 26 - лимб продольной подачи; 27 - фартук; 28 - ходовой винт; 29 - ходовой валик; 30 - рукоятка включения и реверсирования шпинделя; 31 - барабан выбора подачи; 32 - резьбовая рукоятка; 33 - коробка подач.

по окружности резцами. Обычно фрезой обрабатывают плоскости. При этом ей придают вращательное движение, а заготовке - поступательное. Фрезеруют детали на фрезерном станке.

Есть и шлифовальные станки. В них деталь обрабатывает шлифовальный круг. При этом инструмент вращается, а заготовка одновременно и вращается, и движется (либо только движется) поступательно.

Перечисленные выше типы станков - это как бы «родоначальники» основных групп металлорежущих машин. У любого из них - немало «родственников», и каждый занят своим особым делом. Познакомимся с ними на примере токарного станка. Но сначала более подробно разберем его устройство.

Основанием станка служит станина. Обрабатываемое изделие зажимают либо между центрами передней и задней бабок (два при-

Универсальный высокоскоростной токарно-карусельный станок.

способления, установленные по концам станин), либо в патроне, который навертывается на шпиндель (вал) передней бабки. Резец укрепляют в суппорте. В передней бабке находится коробка скоростей, напоминающая автомобильную. С ее помощью изделию придают нужную скорость вращения- скорость резания.

На станке есть еще ходовой валик. Он получает вращение от коробки скоростей через коробку подач и вызывает перемещение суппорта, а вместе с ним и резца. Если, помимо ходового валика, устанавливают ходовой винт, то станок превращается в токарно-винторезный - он может делать нарезку.

Вот мы и познакомились с первым «родственником» токарного станка. А вот еще один - токарно-револьверный. У него вместо задней бабки установлена револьверная (поворотная) головка. В гнезда револьверной головки (обычно их шесть) вставляют различные инструменты. С их помощью станок, не останавливаясь, выполняет различные операции.

Для токарной обработки коротких изделий больших диаметров применяют лоботокарный и карусельно-токарный станки. Существует еще много разновидностей токарных станков. Столь же богаты различными «талантами» и другие типы металлорежущих станков - сверлильные, фрезерные, шлифовальные.

Как повысить производительность станка

Основное, над чем работали и работают конструкторы, совершенствуя обработку резанием, - это повышение производительности обработки. Постепенно изменялся материал инструмента.

Изобретатели неустанно ищут материалы, повышающие стойкость инструмента. Раньше его изготовляли из обычных углеродистых сталей несложного химического состава. Потом появились более прочные стали, содержащие значительное количество вольфрама. Затем были созданы так называемые твердые сплавы (они сохраняют свою твердость при нагреве до 1000°). В последние же годы начали делать минералокерамические инструменты с еще большей теплостойкостью (см. ст. «Порошковая металлургия»).

Но это только один из путей. Другой - усовершенствование конструкции инструмента. Фреза, например, выполняет такую же работу, что и резец при строгании. Но она - многорезцовый инструмент, сочетание нескольких резцов. Естественно, что фреза производительнее одного резца. Еще выше производительность шлифовального крута. Ведь он состоит из множества мелких режущих частиц, скрепленных связующим веществом. И каждая такая частица - миниатюрный резец.

Успех применения многолезвийного инструмента привел конструкторов к мысли: а по-

чему бы не поставить две фрезы и не удвоить таким образом число режущих лезвий? Так появились многоинструментальные металлорежущие станки. В суппорте токарного станка стали устанавливать по нескольку резцов, а затем на противоположной стороне станины поставили второй суппорт, также с несколькими резцами. Теперь количество инструментов, одновременно работающих на станке, иногда измеряется сотнями. Однако беспредельно увеличивать число одновременно работающих инструментов нельзя - обрабатываемое изделие не выдержит нагрузки. Да и обслуживание такого станка слишком сложно. Тогда стали делать многопозиционные станки. На них одновременно можно обрабатывать несколько изделий в разных позициях.

Можно повысить производительность станка и другим путем - его специализацией. Вот один пример. Коробка скоростей токарного станка имеет сложную конструкцию. Сравните: у автомобиля коробка скоростей позволяет получить 3-4 скорости, а у станка - 24! Предположим, этот станок дает массовую продукцию - обтачивает пальцы поршня автомобильного двигателя. Их надо обточить

Продольно-фрезерный многошпиндельный станок.

сотни, тысячи. Станок ничего другого не делает. Для этого из 24 скоростей выбрали одну, наиболее подходящую. А остальные 23 скорости? Пропадают? Поэтому для заводов массового производства делают станки, предназначенные для выполнения лишь одной определенной операции. Такой станок проще универсального: вместо 24 скоростей у него одна. Его легче обслуживать, он дешевле, а главное, производительнее.

Специальный станок работает великолепно, но... до поры до времени. Все хорошо, пока

завод выпускает машину, на производство которой этот станок рассчитан. Прошло время, получено задание выпускать новую, усовершенствованную машину. Станок необходимо переделывать, а то и заменять. Придется менять весь станочный парк, а это, конечно, очень сложно и дорого!

Получается, что прогрессивный специальный станок задерживает технический прогресс. Где же выход? И конструкторы нашли его: надо применять агрегатные станки. Принцип построения таких станков - в создании стандартных узлов. Из этих узлов и конструируется станок. В случае поломок или перехода на выпуск новой продукции узлы легко заменить.

Теперь познакомимся с главным резервом повышения производительности станков. Это автоматизация.

С изобретением суппорта процесс резания был автоматизирован. Время резания значительно сократилось. Но этого мало: на холостые ходы по-прежнему затрачивалось много времени. Надо было ускорить и эту часть операции. Как это сделать? Хорошо было бы, например, совместить во времени два или несколько холостых ходов. Но человек не может одновременно выполнять несколько работ. И тогда был создан металлорежущий станок-автомат, который не только все рабочие, но и все холостые ходы выполняет без непосредственного участия человека, лишь под его контролем. Производительность труда в результате возросла колоссально.

Достоинства специализированных станков-автоматов велики. Но есть у них и недостатки. И главный из них - «консерватизм»! Ведь такой автомат - тот же специальный станок, и его столь же трудно приспособить для производства новых изделий. Раньше с этим мирились - автоматы вначале устанавливали на автомобильных и тракторных заводах, где не так уж часто меняются выпускаемые машины. А теперь автоматы работают повсюду, например в авиационной и радиопромышленности, где изделия особенно часто улучшаются, совершенствуются .

Мириться с «консерватизмом» автоматов стало невозможно. Потребовались новые станки, которые при автоматической работе оставались бы универсальными, могли бы обрабатывать любую деталь. Теперь они созданы. Их называют станками с программным управлением.

нием неоценима. Прежде всего, автомат перестает быть «консервативным». Он больше не «противится» прогрессу. Его легко перестроить, а для некоторых конструкций таких станков

при запуске в производство новой детали достаточно дать новое задание.

Однако создание автомата, даже самого совершенного, не решает полностью проблему производительности. Ведь хорошая работа отдельных автоматов будет почти сведена на нет, если деталь придется вручную перемещать от станка к станку, если она будет подолгу лежать около каждого из них в ожидании обработки и т. д. Следовательно, необходимо автоматизировать и эти работы. Задача была решена: появились станочные автоматические линии (подробно о различных автоматах и автоматизации производства рассказано в статьях раздела «Автоматика»).

НОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Ультразвук работает

Ультразвук - могучий и старательный работник «на все руки». Он помогает заглянуть в глубь материала и рассмотреть предметы, скрытые за слоем непрозрачного вещества. С его помощью можно получить эмульсию из таких «несмешиваемых» компонентов, как вода и бензин, вода и ртуть, вода и масло. Ультразвуком очищают паровые котлы от появившейся с годами работы накипи. Ускоряют дубление кожи и обезжиривают детали в машиностроении. Красят ткани и пастеризуют молоко. Стирают белье и сверлят зубы...

Ультразвуковой сверлильный полуавтомат. Роль сверла здесь выполняет наконечник вибратора.

Ультразвук - это неслышимые человеческим ухом механические колебания среды. Их частота превышает 20 тыс.гц. В технике сейчас применяют ультразвук с частотой колебаний до 5-6 млн.гц, а в лабораторных условиях - даже до нескольких миллиардов герц.

Для технического применения ультразвука важны три его основных качества: способность распространяться в твердых телах, особенно кристаллических, а значит, и в металлах; способность отражаться от границы раздела двух веществ (явление эха) или преломляться при переходе из одной среды в другую; большая удельная мощность, т. е. мощность, приходящаяся на единицу поверхности (измеряется в ваттах на квадратный сантиметр). Ультразвуки, применяемые в технике, характеризуются удельной мощностью до 500вт/см².

Первые две особенности ультразвука делают его ценнейшим средством для промышленной дефектоскопии (см. ст. «Дефектоскопия»). Кроме того, зная скорость его распространения и поглощения в теле, можно судить о плотности, вязкости, упругости и других важных показателях металлов, пластических масс, каучука, стекла и т. п. Контролируют ультразвуком и жидкие тела: определяют их концентрацию, ход реакции, находят посторонние, подчас вредные примеси.

Но в данной статье нас в основном интересует третья важная особенность ультразвука - его большая удельная мощность. Ее сейчас широко используют для воздействия на различные материалы, в том числе на металлы.

Ультразвук, например, замечательное «сверло». Конечно, это название условно, потому что в ультразвуковом станке, предназначенном для проделывания отверстий в твердом материале, никакого сверла нет. Как же работает этот станок?

К поверхности детали, покрытой тонким слоем эмульсии с абразивным порошком, приближают наконечник вибратора - специального устройства, создающего (генерирующего) ультразвук. Под действием ультразвука твердые частички абразивного порошка начинают двигаться и постепенно истачивают поверхность детали. Образуется углубление, соответствующее форме наконечника. А наконечник можно сделать такой формы, какая вам нужна. Если при этом постепенно подавать наконечник в глубь материала, можно получить отверстие любой глубины, в том числе сквозное.

Очень важное качество ультразвукового станка заключается еще и в том, что все изделие в целом не подвергается при обработке ни воздействию высоких температур, которые возникают при работе любого механического инструмента, ни ударам. Ведь наконечник вибратора даже не прикасается к изделию - между ним и поверхностью детали все время находится слой эмульсии.

Наиболее широко подобные станки применяются там, где надо проделать отверстия малого диаметра в материалах высокой твердости, т. е. когда обычное сверло бессильно. В ряде случаев ультразвуковой сверлильный станок просто незаменим.

Как же получают ультразвук? Если необходимо возбудить ультразвуковые колебания в воздухе или в газах, то обычно применяют механический способ. Устройство свистков, сирен и т. д. известно всем. Но не все знают об интенсивности в них звука. Оказывается, кусочек металла, внесенный в звуковое поле сирены, нагревается докрасна за минуту; частота колебаний в механических излучателях достигает 500 кгц.

Для излучения ультразвука в жидкости чаще всего служит магнитострикционный способ. Если же необходимо возбудить ультразву-

ковые колебания в твердых телах, то для этого наиболее подходит пьезоэлектрический способ. Эти способы называются электромеханическими.

Электроэрозионный метод

Перед вами обычный на вид станок. Нажимаете кнопку - сноп искр, и на детали появляется глубокая выемка замысловатой формы. Ни резца, ни фрезы, способных сделать такую выемку, на станке не ищите.

Электроэрозионный прошивочно-копировальный станок, работающий по электроискровому способу. Вверху: схема рабочего органа станка. Инструмент - катод, деталь - анод.

К инструменту (в данном случае это металлический стержень, имеющий такие по форме отверстия или углубления, какие нужно получить на детали) и небольшому участку заготовки (площадью от долей квадратного миллиметра до 2-3 мм²) подводится ток высокого напряжения в виде кратковременных мощных разрядов. Искра, вспыхивающая в месте соприкосновения электродов - инструмента и заготовки, имеет очень высокую температуру. Металл расплавляется, в нем образуются так называемые «ванночки». Часть расплавленного металла испаряется, а часть удаляют либо электродинамическими силами, возникающими при разряде, либо механическим путем (движением инструмента или детали). Этот способ обработки называется электроэрозионным («эрозия» в переводе с латинского означает «разъедание»).

Электроэрозионный метод имеет интересное свойство: форма электрода-инструмента копируется в заготовке. Это объясняется тем, что разряд возникает между наиболее близкими точками электродов. Поэтому электроэрозионную обработку применяют там, где нужно обрабатывать сложные по форме детали, например внутренние полости кузнечных штампов или постоянных металлических литейных форм (кокилей).

И еще одной важной особенностью обладает электроэрозионная обработка. Разряды электрического тока производят закалку металла. Таким образом, обрабатывая деталь электроэрозионным методом, мы еще делаем ее и более прочной.

Интенсивность электроэрозионной обработки зависит прежде всего от теплопроводности, температуры плавления, удельного электросопротивления электродов и величины электрических разрядов. В этом перечне нет механических качеств обрабатываемого металла. И не случайно. Дело в том, что твердость металла мало влияет на интенсивность процесса.

Станки для электроэрозионной обработки делятся по назначению на отрезные, заточные, шлифовальные, копировальные, комбинированные. Все они имеют генератор импульсов тока, автоматическую подачу электродов, систему отсоса газов и паров. На некоторых станках заготовки и электроинструмент помещены в специальную жидкость. В этих случаях станок оснащен системой снабжения рабочей жидкостью.

Все существующие станки этого типа основаны на использовании четырех известных методов электроэрозионной обработки.

Первый способ - электроискровой - был создан в 1943 г. Затем последовали анодно-механический, электроимпульсный, электроконтактный. Физическая основа всех их одинакова - разрушение поверхности металла электрическим током. Различаются они между собой в основном электрической схемой, типом генераторов и назначением. Так, например, при электроискровом методе инструмент - катод,

деталь - анод, а при электроимпульсном способе - наоборот. Оба эти процесса производятся в специальной жидкости, оба дают довольно высокую точность и чистоту обработанной поверхности.

Особенно широко применяется электроимпульсная обработка. С ее помощью изготовляют ковочные штампы, щели в ситах из нержавеющей стали, извлекают из деталей сломанный и застрявший в них механический инструмент и т. д.

Электроконтактная обработка происходит преимущественно в воздушной среде. Этот способ очень производительный, но зато не очень точный. Его используют для грубых работ: зачистки чугунного литья, обработки сложных криволинейных поверхностей и т. д.

Как видите, электроэрозионная обработка имеет огромные возможности и очень широкий диапазон. На станках для электроэрозионной обработки можно изготовлять самые различные изделия - от чуть заметных человеческим глазом деталей часов до огромных ковочных штампов.

Электроннолучевая обработка

Задумаемся над проблемой: каким образом крохотный участок поверхности - квадратик со стороной 10 мм - из весьма твердого материала разрезать на 1500 частей? С такой задачей повседневно встречаются те, кто занят изготовлением полупроводниковых приборов - микродиодов. Эта задача может быть решена с помощью электронного луча, ускоренного до больших энергий и сфокусированного.

Электронный луч способен прорезать даже в самом твердом металле тончайшее отверстие. На рисунке - внешний вид установки для обработки материалов электронным лучом и принципиальная схема электронной пушки.

Обработка материалов - сварка, резка и т. п.- пучком электронов - это совсем новая область техники. Она родилась во второй половине 50-х годов нашего века. Возникновение новых методов обработки, разумеется, не случайно. В современной технике приходится иметь дело с очень твердыми труднообрабатываемыми материалами. В часах, например, применяются корундовые камни толщиной в десятые доли миллиметра. И в этих крошечных кристаллах надо просверливать отверстия совсем микроскопические - диаметром в несколько десятков микрон. Искусственные волокна изготовляют с помощью фильер, которые имеют отверстия сложного профиля и при этом столь малые, что волокна, протягиваемые через них, получаются значительно более тонкими, чем человеческий волос. Электронной промышленности нужны керамические пластинки толщиной 0,25 мм. На них должны быть сделаны прорези шириной 0,13 мм при расстоянии между их осями 0,25 мм. Старой технологии обработки такие задачи часто бывают не по плечу.

Поэтому ученые и инженеры обратились к электронам и заставили их выполнять технологические операции резания, сверления, фрезерования, сварки, выплавки и очистки металлов. Оказалось, что электронный луч обладает весьма заманчивыми для технологии свойствами. Попадая на обрабатываемый материал, он в месте воздействия способен нагреть его до 6000° (температура поверхности Солнца). В то же время современная техника позволяет довольно легко, просто и в широких пределах

регулировать энергию электронов, а следовательно, и температуру нагрева металла. Поэтому поток электронов может быть использован для процессов, которые требуют различных мощностей и протекают при самых разных температурах, например для плавки и очистки, для сварки, резки металлов и т. п.

Чрезвычайно ценно также, что действие электронного луча не сопровождается ударными нагрузками на изделие. Особенно это важно при обработке хрупких материалов. Скорость обработки на электроннолучевых установках существенно выше, чем на обычных станках. Улучшается и качество обработки. Наконец, к. п. д. режущего инструмента - электронного луча - составляет около 90%.

Установки для обработки электронным лучом - это сложные устройства, основанные на достижениях современной электроники, электротехники и автоматики. Основная их часть - электронная пушка, генерирующая пучок электронов. Электроны, вылетающие с подогретого катода, остро фокусируются и ускоряются специальными электростатическими и магнитными устройствами. Точная фокусировка позволяет достигать огромной концентрированности энергии электронов, так что на 1 мм² приходится мощность порядка 1,5·10⁷ вт. Обработка ведется в высоком вакууме, поэтому установка снабжена вакуумной камерой и вакуумной системой.

Обрабатываемое изделие устанавливают на столе, который может двигаться по горизонтали и вертикали. Луч, благодаря специальному отклоняющему устройству, также может перемещаться на небольшие расстояния (порядка 3-5 мм). Когда отклоняющее устройство отключено и стол неподвижен, электронный луч может просверлить в изделии отверстия диаметром 5-10 мк. Если включить отклоняющее устройство (оставив стол неподвижным), то луч, перемещаясь, будет действовать как фреза и сможет фрезеровать небольшие пазы различной конфигурации. Когда же нужно отфрезеровать более длинные пазы, то перемещают стол, оставляя луч неподвижным.

Интересна обработка материалов электронным лучом с помощью так называемых масок. В установке на подвижном столике располагают маску. Тень от нее в уменьшенном масштабе проектируется формирующей линзой на деталь, и электронный луч обрабатывает поверхность, ограниченную контурами маски.

Контроль за ходом электронной обработки обычно ведется с помощью электронного

микроскопа. Он позволяет точно установить луч до начала обработки, например резки по заданному контуру, и наблюдать за процессом. Электроннолучевые установки часто оснащаются программирующим устройством, которое автоматически задает темп и последовательность операций.

Обработка токами высокой частоты

Если тигель с помещенным в нем куском металла обмотать несколькими витками провода и пустить по этому проводу переменный ток высокой частоты, то металл в тигле начнет нагреваться и через некоторое время расплавится. Такова принципиальная схема применения токов высокой частоты для нагрева.

Установка для нагрева изделий токами высокой частоты. Вверху: принципиальная схема ее работы.

Первый случай, когда разогреваемое вещество - проводник. Переменное магнитное поле, которое появляется при прохождении переменного тока по виткам индуктора, заставляет двигаться в нем свободные электроны, т. е. порождает вихревые индукционные токи. Опии разогревают кусок металла. Диэлектрик же разогревается за счет того, что магнитное поле колеблет в нем ионы и молекулы, «раскачивает» их. А ведь вы знаете, что, чем быстрее движутся частицы вещества, тем выше его температура.

Для высокочастотного нагрева сейчас наиболее широко применяются токи от 1500 гц до 3000 Мгц и выше. При этом нагревательные установки, работающие на ТВЧ, нередко имеют мощность в сотни и тысячи киловатт. Их конст-

рукция зависит от размеров и формы нагреваемых объектов, от их электросопротивления, от того, какой нагрев требуется - сплошной или частичный, глубокий или поверхностный, и от других факторов.

Чем больше размеры нагреваемого объекта и чем выше электропроводность материала, тем более низкие частоты можно применять для нагрева. И наоборот, чем выше электросопротивление, чем меньше габариты нагреваемых деталей, тем более высокие частоты необходимы.

Какие же технологические операции в современной промышленности осуществляются с помощью ТВЧ?

Прежде всего, как мы уже говорили,- плавка. Высокочастотные плавильные печи сейчас работают на многих предприятиях. В них выплавляют высококачественные сорта стали, магнитные и жаростойкие сплавы. Часто плавка производится в разреженном пространстве - в высоком вакууме. При вакуумной плавке получаются металлы и сплавы наивысшей чистоты.

Вторая важнейшая «профессия» ТВЧ - закаливание металла (см. ст. «Защита металла»).

Многие важные детали автомобилей, тракторов, металлорежущих станков и других машин и механизмов теперь закаливаются токами высокой частоты.

Нагрев ТВЧ позволяет получить высококачественную скоростную пайку различными припоями.

В металлопромышленности ТВЧ нагревают стальные заготовки для обработки их давлением (для штамповки, ковки, накатки). При нагреве ТВЧ не образуется окалины. Это экономит металл, увеличивает срок службы штампов, улучшает качество поковок. Облегчается и оздоровляется труд рабочих.

До сих пор мы говорили о ТВЧ в связи с обработкой металлов. Но этим не ограничивается круг их «деятельности».

Очень широко применяются ТВЧ и для обработки такого важного материала, как пластмассы. На заводах пластмассовых изделий в установках ТВЧ нагревают заготовки перед прессованием. Хорошо помогает нагрев ТВЧ при склеивании. Многослойные небьющиеся стекла с пластмассовыми прокладками между слоями стекла изготавливают при нагреве ТВЧ в прессах. Так же, кстати, производят нагрев древесины при изготовлении некоторых сортов фанеры и фасонных изделий из нее. А для сварки швов в изделиях из тонких листов пластмасс применяют специальные машины ТВЧ, напоминающие швейные. Этим способом изготавливают чехлы, футляры, коробки, трубы.

Последние годы все шире применяется нагрев ТВЧ в стекольном производстве - для сварки различных стеклянных изделий (труб, пустотелых блоков) и при варке стекла из шихты.

Нагрев ТВЧ имеет большие преимущества перед другими методами нагрева также и потому, что в ряде случаев основанный на нем технологический процесс лучше поддается автоматизации.

КАК СВАРИВАЮТ МЕТАЛЛ

Автоматическая сварка под флюсом

Летит мощный самолет - быстроходный, огромный воздушный лайнер. Его фюзеляж, его крылья и хвостовое оперение сварены. Мчится поезд - и электровоз, и вагоны сварные. И рельсы, по которым он мчится, и мосты, по которым он грохочет, сварены. Не обошлось без сварки и при создании судов, и при строительстве жилых домов, электростанций, фабрик и заводов. Прогресс техники, любят говорить сварщики, во многом основан на совершенствовании способов соединения деталей.

Долгие годы это умение основывалось на клепке. Прежде чем соединить два металлических листа, их подгоняли друг к другу, пробивали в них отверстия, готовили и разогревали заклепки, вставляли их в отверстия и, наконец, расклепывали молотком или кувалдой. Тяжелый и опасный труд! Чтобы клепаные соединения были прочнее, к ним добавляли всевозможные накладки, тратя на это уйму металла. И все равно в зазоры пробиралась влага, и ржавчина грызла металл.

Инженеры мечтали о мощном источнике нагрева, способном быстро расплавлять и сва-

ривать поверхности изделий. Таким источником оказалась вольтова дуга. В 1882 г. инженер Н. Н. Бенардос предложил «способ соединения металлов непосредственным действием электрического тока». Дуга возникала между металлом и угольным электродом. Так появилась электросварка - самый совершенный сейчас способ соединения металлов.

Летом 1892 г. на завод близ Перми привезли стальной вал с парохода «Пушкарь». Стопудовый вал сломался пополам. Инженер Н. Г. Славянов сварил обе половины так прочно, что вал проработал еще 60 лет. Славянов усовершенствовал открытие Бенардоса, заменив угольный электрод металлическим, плавящимся.

В 1921 -1935 гг. в Советском Союзе все шире внедряется электросварка. Идет подготовка кадров. Первый сварной генератор, сделанный на ленинградском заводе «Электросила» для Днепрогэса, оказался вдвое легче клепаного. Но сторонники клепки не сдаются: сварка экономит металл, это бесспорно, но надо еще добиться, чтобы сварной шов был прочным. Дело в том, что, когда расплавленный шов остывает, из него не успевают выйти пузырьки газа. Такой шов ненадежен, в нем образуются поры и трещины. Ученые создают обмазки и покрывают ими электроды; при горении дуги возникает химическая защита. В состав обмазок вводят вещества, улучшающие механические свойства шва - прочность, пластичность, стойкость к ржавлению.

Обмазка помогла советскому ученому К. К. Хренову разработать технологию подводной сварки. Вокруг дуги создается своеобразный газовый пузырь, оттесняющий воду. Сварщики-водолазы могут ремонтировать суда, не вводя их в сухой док, чинить мосты под водой.

Но сварка-то остается ручной, как и клепка. Одетый в брезентовый костюм, держа в руке щиток с темными стеклами, сварщик работает в тяжелых условиях, работает медленно и не всегда успешно. Ручной характер сварки не позволяет ей войти в поточную линию, ускорить сборку и монтаж, гарантировать безупречное качество соединений.

Автоматизировать сварку решает коллектив Института электросварки Академии наук УССР, которым тогда руководил Е. О. Патон. Появляются первые автоматы. Они сами поддерживают дугу, подают из мотка электродную проволоку и передвигаются вдоль изделия. Вместо обмазки применяется другая защита: в зону сварки насыпается флюс - защитный порошок из силикатов и ферросплавов.

Флюс защищает шов от газов воздуха и от быстрого охлаждения, а чем медленнее остывает металл, тем больше из него успевает выйти вредных газов. Шов становится плотным и прочным: в флюс введены легирующие вещества. Прежде три четверти тепла растрачивалось впустую. Окутав дугу, флюс не дает ей терять тепло, металл проплавляется быстрее, и скорость сварки по сравнению с ручной увеличивается в 5-10 раз!

Киевляне демонстрируют автомат работникам промышленности. Решено, что новый метод можно использовать на строительстве моста через Днепр. Это было в конце 1940 г. ...

За мост удалось приняться только в 1949 г. Через четыре года первому в мире цельносварному мосту было присвоено имя Е. О. Патона. Если бы этот мост строили по старинке, то на миллион заклепок и тысячи накладок ушло бы свыше 3 тыс.т лишнего металла. Но он был цельносварным, какими и должны быть мосты в стране, где открыли электросварку и автоматизировали ее.

Электрошлаковая сварка

Наше время ознаменовано постоянным ростом тяжелого машиностроения. Мы строим

сверхмощные турбины, котлы величиной с десятиэтажный дом, прокатные станы длиной в полкилометра. Огромное количество металла идет на каждую такую машину.

Отливка цилиндра крупного пресса весит 350 т. Чтобы ее сделать, надо приготовить сложную модель и мудреную оснастку. Машинная формовка здесь не годится - значит, много ручной работы. Заготовку для цилиндра с переменным сечением отлить и проковать невозможно. Приходится делать цилиндр с самым большим сечением, а потом срезать припуски.

Часть металла уходит в окалину при ковке, часть - в стружку при механической обработке. Готовый цилиндр весит 100 т. Потеряно 250!

Но разве нельзя сделать несколько отливок поменьше и приварить их друг к другу? Посмотрим. Толщина стенки цилиндра 35 см. Прошел над зазором аппарат - в зазоре остался слой металла. Но это не весь шов, это его сотая часть по толщине. Слой надо очистить от шлака и наварить на него еще 99 таких слоев. И еще неудобство: трудно варить шов, расположенный вертикально, - стекает металл, осыпается флюс. А у многих конструкций полным-полно таких швов.

Снова Институт электросварки берется за дело и создает новый способ - электрошлаковую сварку. Расплавленный флюс хорошо проводит ток и выделяет много тепла. Можно подобрать такой флюс, чтобы его электрическое сопротивление было меньше, чем у стали. Если через него пропустить ток, он расплавит электрод и кромки изделия. Для сварки по этому способу две крупные детали ставят друг подле друга так, чтобы шов получился вертикальным. Сбоку подводится сварочный аппарат. Головка подходит к зазору сбоку, электроды выгибаются так, чтобы они опустились в зазор параллельно краям свариваемых деталей.

Медные планки-ползуны, охлаждаемые водой, охватывают зазор, получается ванна; две ее стенки - планки, две другие - края детали. В ванну, на подкладку, насыпают флюс и зажигают дугу между подкладкой и электродами. Дуга расплавляет и флюс, и электроды. Флюс превращается в электропроводный шлак. Он надежно защищает расплавленный металл от кислорода и азота воздуха. Края деталей и

Аппарат для электрошлаковой сварки ползет вверх, и две детали соединяются за один проход аппарата.

Новый метод сварки резервуаров позволяет почти все сварочные работы производить на заводе. Затем сваренные «полотнища» сворачивают в рулон и вывозят с завода. Окончательный монтаж резервуара занимает 3-4 дня.

электроды расплавляются, и металл заполняет ванну. Аппарат ползет вверх по рельсам, за ним планки-ползуны, и мы видим яркий багровый шов.

Металлическая ванна растет, твердеет, кристаллизуется. Аппарат поднялся до конца шва. Две детали соединены за один проход. Не за сто, а за один!

Но дело не только в этом. Сварка под флюсом не гарантирует безукоризненную плотность шва. Газы воздуха все-таки попадают в расплав. Если они не успеют выбраться из металла до его кристаллизации, застывший металл их уже не выпустит. Газы останутся в порах, поры превратятся в трещины. При электрошлаковой сварке этого не случается - выручает шлаковая ванна. Она служит тепловой надставкой над ванной металлической. Все трещины непрерывно заливаются металлом. Газы уходят наверх через" расплав и шлак еще до кристаллизации.

Разработав электрошлаковую сварку, сотрудники Института им Е. О. Патона обнаружили, что металл шва гораздо плотнее, чем металл деталей и электродов. И вот на запорожском заводе «Днепроспецсталь» строят печь для переплава высококачественной стали в сверхвысококачественную на основе нового способа.

Опытная партия электрошлаковой стали проявила при обработке великолепные качества. На подшипниковом заводе в Москве в перешлифовку пошло втрое меньше подшипников, брак исчез вовсе, а сами подшипники стали служить вдвое-втрое дольше, чем прежде.

Резервуар и труба сворачиваются в рулон

В 1947 г. на «Запорожстали» была задута первая в мире цельносварная доменная печь. Сварка помогла изменить технику монтажа. Прежде конструкцию сваривали в процессе монтажа на высоте. Строители и сварщики поступили иначе. Они начали сваривать детали на площадке или даже на заводе, а потом с помощью кранов поднимали крупные блоки наверх. На высоте трудно варить автоматом, а внизу - легко. Автомат же - это скорость и надежность.

После опыта с домнами стало ясно, что автоматизацию сварки можно осуществить лишь в условиях завода. Но как быть с гигантскими

сооружениями, такими, например, как резервуар для хранения нефти? Это ведь не секция и не блок - это махина высотой с четырехэтажный дом и диаметром с цирковую арену. Такие изделия на транспорте называют негабаритным грузом, по железным дорогам их возить нельзя.

А что если корпус резервуара свернуть в рулон, как чертеж? Автоматы на заводе сварят корпус - «листочек» длиной 72м и шириной 12м. Его свернут в рулон диаметром всего 3 м - габаритный груз - и вывезут с завода! Основная часть монтажа перейдет на завод, сварка будет автоматизирована. Сварщикам на площадке останется варить не 3 км швов, как прежде, а только 430 м.

Поставить и развернуть рулон можно обыкновенным трактором и лебедкой. Трудоемкость монтажа сократится вчетверо, а срок - в 5- 10 раз. И, что очень важно, о качестве швов, сваренных автоматами, беспокоиться нечего.

Резервуары методом рулонирования строят в Башкирии, в Сибири и на Северном Кавказе, а ученые заняты новой проблемой - рулонированием труб. Это очень важно. Можно сделать трубу из двух лент: наложить ленты одна на другую и сварить их по краям. А потом свернуть в моток, привезти в поле и пустить под давлением в щель между лентами воздух или воду - труба распрямится, как пожарный шланг. Тогда на платформе поместится не 200 м труб, как до сих пор, а 3 км, и на монтаже в десятки раз уменьшится количество стыков. Монтаж ускорится, трубы станут надежнее. Только вместо крупной углеродистой стали нужен другой, более упругий материал. Не подходила для этой цели и медленная сварка под флюсом. Ей на смену пришла контактная сварка.

Зимой 1959/60 г. в Запорожье вступает в строй первый в мире стан для изготовления плоскосворачиваемых труб. Два мотка ленты навешивают на барабаны. Разматываясь, ленты поступают в валки, которые направляют сдвоенные листы в сварочное устройство. От трансформаторов к роликам-электродам, сжимающим ленты, подается ток. По краям ленты появляются две багровые полосы, сварка идет со скоростью 1200 м/час.

Контактная сварка

Что такое контактная сварка, которую применили для изготовления плоскосворачиваемых труб, понять нетрудно. Детали укладывают в зажимы машин и пропускают через них ток. При переходе электрической энергии в тепловую стык нагревается. Торцы деталей соединяются неплотно, мельчайшие расплавленные перемычки между ними разрушаются, происходит маленький взрыв, детали сжимают - они сварились. Кислород, конечно, успевает окислить металл, но окислы мгновенно выталкиваются наружу.

Контактная сварка бывает точечной и шовной. Контактные машины сваривают звенья цепей, ободья колес, детали велосипедов и мотоциклов, валы, арматуру для железобетона, рычаги. Контактные машины - мощные агрегаты, снабженные трансформаторами, которые понижают напряжение сети так, чтобы сварочный ток достигал десятков тысяч ампер. Машины, снабженные сотней электродов, сваривают сразу в сотнях точек. Так делают, например, кузова автомобилей. Контактная сварка очень выгодна: ни флюса, ни электродной проволоки не нужно, а главное - быстрота.

В трубосварочный агрегат входит сварочная головка с контурным трансформатором (его сердечник - кольцо, плотно обхватывающее трубы на стыке), трактор, передвижная электростанция, приспособления для зачистки труб и удаления выдавившегося металла. Агрегат не боится бездорожья и уверенно ползет вдоль газопровода. Появление таких агрегатов вдвое снизило стоимость сварочных работ и втрое повысило их производительность.

Газы оберегают дугу

В конструкциях много криволинейных швов. Сваривать их под флюсом неудобно. А без флюса приходится сваривать вручную. И ученые задумались: нельзя ли испробовать для защиты дешевый углекислый газ? Но ведь металл начнет окисляться от кислорода, содержащегося в самом углекислом газе.

Углекислый газ разлагается на окись углерода и кислород. Сталь жадно хватает

его. Получается окись железа - бич сварщика. Но против этого есть оружие - активные раскислители - кремний и марганец. Они отберут кислород у стали, соединятся с ним и превратятся в шлак. Железо останется чистым. Значит, надо добавить в электрод или в присадочную проволоку раскислители.

Первые установки для сварки в углекислом газе испытывали на Подольском заводе им. Орджоникидзе, где строят котлы и нефтеаппаратуру, имеющих много криволинейных швов. Сварка в С O₂ кремнемарганцевой проволокой оказалась почти такой же надежной и быстрой, как под флюсом.

Флюс непригоден для сварки кривых швов или труб из тонкой ленты. Не годится этот метод и для сварки некоторых материалов, например нержавеющей стали. Не годится здесь и углекислый газ. А трубы из такой стали очень нужны химии и пищевой промышленности. Здесь на помощь приходят инертные газы - аргон и гелий. Дуга зажигается между неплавящимся вольфрамовым электродом и изделием. Электрод проходит сквозь мундштук, по которому подается и инертный газ. Газ обволакивает дугу и не пускает к ней азот и кислород воздуха.

На Московском трубном заводе работает стан. Лента проходит через валки, округляется, кромки ее сближаются и плывут под сварочный узел. Конец вольфрамового стержня выступает из сопла, через которое вытекает и инертный газ. Дуга расплавляет и сваривает кромки ленты. Получается труба.

Но аргон не позволяет ускорить процесс. Хотя этот газ и именуется инертным, он не только защищает дугу от воздуха, но еще и охлаждает электрод. Он не равнодушный страж сварочной зоны, а участник ее создания, но участник «ленивый»: скорость сварки не больше 1,5 м/мин. Сварщики попробовали пустить вместо аргона гелий; скорость поднялась до 4 м/мин. Но гелий в пять раз дороже аргона. И трубники идут на компромисс - смешивают аргон с гелием. При такой аргоногелиевой сварке высокая стоимость гелия окупается возросшей вдвое производительностью стана - 3 м/мин.

Спиральная сварка и ТВЧ

Наши ученые создали еще один способ сварки магистральных труб. Перед трубосварочным станом поставили формовочно-гибочную

машину, валки которой расположены под углом друг к другу. Машина сворачивает лист в спираль, два автомата - один сверху, другой снизу - ведут непрерывную сварку. Процесс идет помедленнее, чем при продольной сварке, но зато спиральный шов испытывает гораздо меньше напряжений и трубы получаются надежнее.

А труб требуется стране все больше и больше. И инженеры вернулись к контактной сварке, но не к простой, а к контактной сварке токами высокой частоты.

Трубы из нержавеющей стали сваривают в среде инертного газа - аргона.

При этом методе сварки края свернутой ленты разогреваются не от сопротивления обычному току - их мгновенно расплавляет ток высокой частоты. Он поступает по медной, охлаждаемой водой шине, расположенной вдоль кромок трубы. Новые трубы подвергли жестоким испытаниям. Их мяли, сворачивали, сплющивали в лепешку, травили в кипящей серной кислоте с купоросом. И что же? Сталь не выдержала, а шов остался целехонек.

Новый стан выпускает трубы со скоростью 70 м/мин - 4200 м/час!

Но при создании труб даже этим очень выгодным способом не решается задача транспортировки. И строители трубопроводов предложили еще одну смелую идею: делать трубы прямо на трассе. И сейчас ученые проектируют передвижной стан спиральной сварки труб токами высокой частоты. Станы будут путешествовать!

Холодная сварка

Кто из вас не видел алюминиевых кастрюль с маленькими ручками? А знаете, как прикрепляют ручки к кастрюлям? Ясное дело, скажете вы, берут паяльник и припаивают. Раньше это действительно делалось так. Но способ этот не из лучших: работа ручная, идет медленно, при пайке используется дорогой припой - медь, кремний, алюминий, выделяются вредные газы. Теперь же все шире применяется новый оригинальный способ соединения деталей - холодная сварка.

Мы уже привыкли к тому, что всякая сварка требует нагрева, и слова «холодная сварка» могут показаться странными. Но ничего странного здесь нет. Дело в том, что металлам присуща одна особенность: электроны внешних орбит их атомов слабо связаны со своими ядрами. Если детали, которые нужно сварить, подвергнуть давлению, электроны одного атома перейдут на орбиты другого и между атомами произойдет сцепление. Нужно только хорошенько очистить соприкасающиеся поверхности.

Холодной сваркой соединяют алюминий и его сплавы, магний, никель, свинец, кадмий, цинк, серебро, титан. Ее широко используют в электротехнике. Она отличается большой производительностью и ничтожным расходом энергии.

Другой, близкий к описанному вид сварки создал токарь Эльбрусского рудника Алексей Чудиков. Как-то раз он обтачивал детали.

Пластмассу и фольгу сваривают ультразвуковые аппараты.

Вдруг деталь приварилась к станку. Чудиков задумался и начал экспериментировать. Вот к чему он пришел. Одну деталь надо закрепить неподвижно, а другую вставить во вращающийся патрон. Затем, пустив станок на большие обороты, нужно сблизить детали так, чтобы они нагрелись от взаимного трения. Если теперь мгновенно сжать детали и остановить вращение, они становятся единым целым - свариваются.

Выгода этой сварки очевидна: энергии расходуется в 10 раз меньше, чем при контактной сварке; процесс легко автоматизировать; оборудование - обычный токарный станок. Сварка трением отлично подошла к меди, латуни, алюминию, а для чугуна оказалась просто находкой.

Есть такой материал - фольга, тонкая, как папиросная бумага. Конструкторам приборов очень часто требуется сварить два листка фольги или приварить один лепесток фольги к обычной детали. Как вы станете сваривать фольгу? Под флюсом? В газовой атмосфере? От малейшего нагрева лепестки фольги закрутятся и сгорят.

А пластмассы, идущие теперь на смену многим металлам? Не всякое изделие из пластмассы отштампуешь в прессе, кое-какие детали приходится и соединять. Но как приваривать пластмассу к пластмассе, если от малейшего нагрева она начинает деформироваться?

И фольгу, и пластмассу сваривают ультразвуковые аппараты (см. ст. «Ультразвук работает»).

Диффузионная сварка в вакууме

Если к диффузии добавить еще одну новинку в сварке - вакуум, то такие материалы, как сталь, чугун, твердые сплавы, свариваются настолько активно, что установить между ними линию раздела металлографически невозможно. Для нагрева деталей по методу диффузионной сварки в вакууме пользуются токами высокой частоты, а для сдавливания - гидроаппаратурой. А вакуумная камера - это защитная среда. Прежде зону защищали флюсами и газами, а тут ее защищает полное отсутствие воздуха. Лучше и не придумаешь.

Диффузионная сварка первым делом улучшила изготовление резцов. Инструментальщики стали обходиться без дорогих припоев (а в припой входит даже серебро). После сварки в вакууме детали не требуют никакой обработки: нет окалины и шлака. Высокопроизводительные холодно-высадочные автоматы простаивали из-за отсутствия специальных магнитов. От обычной сварки магниты размагничивались, а диффузионная выручила.

Главное же преимущество: сварка в вакууме позволяет соединять прежде не соединявшиеся материалы. А это вызывает к жизни многие новые изделия. Вот, например, медь соединилась с молибденом именно так, как этого требовали конструкторы нового, бесшумного ткацкого станка. Впервые сталь прочно соединилась с чугуном, алюминием, вольфрамом, титаном, металлокерамикой.

Сталь, чугун и твердые сплавы активно свариваются методом диффузионной сварки в вакууме.

Электронный луч хорошо сваривает тугоплавкие металлы.

Электроннолучевая сварка

Вспомните, как работает кинескоп телевизора. С раскаленной вольфрамовой ниточки катода срываются электроны и несутся к аноду. Электрические и магнитные поля сжимают их, возникает электронный луч. Он-то и рисует на экране трубки изображение (см. статьи раздела «Радиоэлектроника»).

Но луч может не только рисовать. Он способен испепелить любое препятствие. Это заметили инженеры, работавшие с электронными микроскопами. Чтобы улучшить качество изображения, они увеличили мощность луча, и объект испарился. Тогда луч приспособили для прошивки тугоплавких металлов. Но раз им можно резать, можно и сваривать. Те же самые тугоплавкие металлы: тантал, вольфрам, цирконий, ванадий и ниобий.

Мы в одной из лабораторий Института электросварки. Перед нами темно-серый металлический цилиндр. Это вакуумная камера. В камере на вращающемся столе закреплены детали. Воздух откачивается непрерывно, разрежение, как в радиолампе. Включается ток.

Вольфрамовая нить электронной «пушки» накаляется и испускает пучок электронов. Они несутся со скоростью 16 тыс.км I сек и, бомбардируя поверхность металла, отдают ему свою кинетическую энергию. Энергия переходит в тепло. Сварщик-оператор сидит на помосте перед щитом управления, стрелки приборов сообщают ему о режиме сварки. Несколько секунд - и две пластинки из молибдена или вольфрама сварены тончайшим и прочнейшим «кинжальным», как говорят сварщики, швом.

Плазма в руках сварщика

В Институте электросварки можно увидеть не только электронную «пушку», но и плазменный «пистолет». Он тоже может и резать, и сваривать.

Как работает обычный кислородно-ацетиленовый резак? Ацетилен горит в кислороде, расплавляет металл, потом струя кислорода выдувает из металла окислы - продукты сгорания. Так режут обычную сталь. Но попробуйте разрезать высоколегированную. Железа, которое жадно окисляется и мигом выгорает, в ней очень мало. Сталь насыщена хромом, никелем, молибденом, титаном. А они не режутся при температуре горелки (3000°).

Пламя газоэлектрической горелки в 5 раз жарче, чем поверхность Солнца.

Тогда возникла идея газоэлектрической горелки на основе сварочной дуги. Отрицательный полюс постоянного тока присоединяется к вольфрамовому стержню, положительный - к соплу горелки или к изделию. В горелку подают аргон или гелий. Загоревшуюся между вольфрамом и соплом дугу сжимает канал из жаропрочного сплава. Возникает высокое давление. Температура дуги повышается. Поток плазмы создает вокруг себя магнитное поле. Оно еще более сжимает плазму, еще больше повышает ее температуру. Тридцать тысяч градусов, в пять раз жарче поверхности Солнца,- вот какое пламя вылетает из «пистолета»-горелки! Такое пламя режет любой материал, как нож масло, и столь же хорошо сваривает.

Нейтронная сварка

Ультразвуковая сварка обязана своим развитием пластмассам. Но вот химики преподносят промышленности еще одну пластмассу - тефлон. Тефлон равнодушен ко всем кислотам и щелочам, он не горит, не набухает в воде, не реагирует на температуру до 200°, не пропускает ток. Он обещает быть отличным материалом для химической аппаратуры, изоляции, подшипников. Но чтобы использовать тефлон, его часто нужно сваривать, а он свариваться не желает. Однако ученые нашли управу на тефлон - ядерную сварку, разработанную в Институте химической физики АН СССР.

На поверхность полимера, свариваемого с тефлоном, наносят соединение бора. Один из его изотопов, бор-10, поглощает нейтроны. Проглотив нейтрон, ядро бора делится на альфа-частицы и ядра лития. Эти осколки обладают большой энергией. На их пути за десятимиллиардную долю секунды все разогревается до 1000°. Происходит диффузия: атом углерода, оторвавшись от атома водорода в своей молекуле, тянется к атому углерода другого полимера. Молекулы двух соединяемых полимеров прочно «сшиваются». Этим способом тефлон сваривается с полистиролом, органическим стеклом и другими полимерами.

Великое будущее сварки

В конце XIX в. в России появились первые ученые-электросварщики. Теперь у нас около

Такие гигантские подшипники служат опорами для валков прокатных станов...

Минута... Вторая... Третья... Одна за другой сходят с главного конвейера Горьковского автозавода машины, носящие имя великой русской реки Волги.

ста способов сварки, сотни тысяч квалифицированных рабочих-сварщиков. Профессия сварщика не легка. Сегодня он сваривает один металл, завтра - другой, сегодня - арматуру, завтра - водовод плотины. Нынче он работает в южных степях, завтра - в зимней тайге или высоко в горах. Электросварщик идет в первом отряде строителей.

Но даже не в этом романтика профессии сварщика - она в борьбе за технический прогресс. Уже около половины всех сварочных работ выполняет не «ручник», а машины. Сварка сегодня - это постоянное научное и техническое творчество. На ее вооружении не только электротехника и механика, а и радиоэлектроника, математика, физика, химия, кибернетика.

Прежде сварку называли микрометаллургией. На наших глазах сварка из чисто металлургического процесса превращается в процесс физико-химический, концентрирующий в себе новейшие достижения смежных отраслей науки и техники и в свою очередь обогащающих их.

Само слово «сварка» происходит от глагола «сваривать». Но чтобы соединить металл, сваривать его не обязательно. Ученые полагают, что слово «сварка» скоро станет анахронизмом. Широкое применение холодной сварки, диффузионной, ультразвуковой, нейтронной - веское тому подтверждение. Конечно, расплавление металла не уйдет из сварочного обихода. Будет и дуга, и плазма, и электронный, и световые лучи. Кроме того, сварка объединится со склеиванием - уже сейчас в самолетах используют клеесварные конструкции.

Уже сегодня сварка изменяет лицо некоторых отраслей народного хозяйства. В ближайшие годы ожидают глубокое внедрение сварки в металлургию. Как показал опыт Днепропетровского завода металлоконструкций, где работает первая в мире автоматическая линия сварки и сборки двутавровых балок, многие изделия гораздо выгоднее сваривать, а не прокатывать. Придет время - и сварочные машины будут встраивать в металлургические цехи, так же как теперь в механосборочные.

ЗАЩИТА МЕТАЛЛА

Вы видите на улице автомобиль. Издали он кажется вам новым. Но приглядитесь внимательнее, и, возможно, вы увидите на его поверхности едва заметные пузырьки. Многие из них уже лопнули и походят на кратеры вулканов, сфотографированные сверху, с большого расстояния. Только внутри этих «вулканов» не застывшая лава, а бурая ржавчина.

Автомобиль этот действительно еще сравнительно новый - ему всего 5-6 лет от роду. По своим ходовым данным он достаточно хорош. Он мог бы еще долго бегать по дорогам, выполняя различную полезную работу. Но беспощадная коррозия почти вдвое укорачивает его век. Она пожирает металл, вздувает краску кузова, образуя на ее гладкой поверхности кратерообразные бурые пятна.

Коррозия приносит огромный ущерб. Подсчитано, что каждый год она уносит до 10% железа и сплавов. Естественно поэтому, что люди стремятся защитить металл от разъедания и коррозии, особенно когда ему предстоит «работать» во влажном воздухе, в воде, соприкасаться с вредно действующими на него газами и жидкостями.

Все знают о никелированной, луженой, эмалированной посуде, оцинкованном железе крыш, о лаках и красках, которыми покрывают металлические изделия. Часто на металл наносят защитную окисную пленку. Тогда тонкий слой уже окислившегося металла предохраняет деталь от дальнейшего разрушения. А алюминий сам защищает себя этим способом: под воздействием воздуха на его поверхности образуется тонкий прочный слой окислов. Нередко металл для защиты покрывают слоем другого металла - олова, цинка, никеля, хрома.

Если образовать на поверхности стальных, алюминиевых или цинковых изделий либо их сплавов тонкий слой фосфатов (солей фосфорной кислоты), а затем нанести краску, лак, масло, то деталь также не подвергнется коррозии. Кузов автомобиля «Москвич», например, прежде чем попасть на окраску, проходит через

Механизированная линия подготовки кузовов под окраску на Московском заводе малолитражных автомобилей. Пройдя сквозь все камеры этого конвейера, кузов сможет потом служить на 5 лет дольше.

несколько подготовительных камер с душем: сначала обезжиривающим, затем обычным, промывочным, а в конце фосфатным. В результате на поверхности металла образуется тонкая защитная пленка, помогающая краске предохранять металл от коррозии. Благодаря фосфатированию срок службы кузова удалось продлить на несколько лет.

В качестве покрытия предложено также применять изготовленную химиками полиэтиленовую пленку. Она тоже предохраняет металлические конструкции от коррозии. Изоляция полимерными пленками начинает получать все более широкое применение.

«Бронировать» металлические трубопроводы можно и с помощью особой пасты, которую наносят на металлическую поверхность.

А многие металлические предметы и трубы выпускаются сразу с готовым покрытием, защищающим их от коррозии.

Но покрытие поверхности различными защитными преградами лишь одно из направлений борьбы за долгую жизнь металла. Металлурги научились в этих целях изменять и сам металл. Таковы, например, многие сплавы. Их делают нержавеющими, добавляя различные элементы, которые хорошо сопротивляются коррозии. Например, если в сталь добавить немного хрома, никеля, вольфрама, молибдена, то она становится прочной и нержавеющей.

Иные способы защиты используются при длительном хранении металлических изделий. Для этого применяют найденные химиками особые составы, замедляющие скорость разрушения материалов,- ингибиторы. В пропитанной ими бумаге можно долго хранить изделия, не опасаясь их порчи. Дело в том, что ингибиторы не позволяют кислороду воздуха и влаге проникать к металлической поверхности. Некоторые ингибиторы наносят прямо на поверхность готовой машины. Ее помещают для этого в специальный контейнер и пускают туда пары ингибитора. Когда пары оседают, машина оказывается покрытой защитной пленкой.

Но металл приходится защищать не только от разъедания и коррозии." Есть у него и другие враги - трение, износ и высокие температуры. Так, например, всего лишь на один килограмм вес изношенной автомашины меньше,

чем вес новой. Всего один килограмм износа - и машина выходит из строя! Если вспомнить, сколько машин работает на полях и в шахтах, на заводах и в рудниках, на электростанциях и на транспорте, станет ясно, какие выгоды может принести народному хозяйству успешная борьба с износом деталей.

Одно из направлений - разделение трущихся поверхностей. Во вращающихся частях машин для этой цели применяют подшипники. Очень часто поверхности разделяют слоем смазки.

Другое направление - увеличение прочности деталей при их изготовлении. Для этого существует целый ряд способов: тепловая обработка, при которой изменение температуры ведет к изменению свойств материала; обкатка, позволяющая сгладить поверхность, уплотнить ее, и т. д. При этом трещины углубления, всевозможные неровности, оставшиеся от предыдущей обработки резцом, выравниваются. Увеличивается и твердость металла, он лучше сопротивляется износу. Например, обкатка вагонной оси увеличивает срок ее службы в 25 раз. Такой обработке подвергают детали цилиндрической формы и отверстия. Иногда вместо обкатки отверстий применяют продавливание сквозь них стальных шариков или другого инструмента.

Широко используется и обдувка деталей дробью. При ударах дробинок поверхность металла так же уплотняется и сглаживается, как и при обкатке. Тонкий поверхностный слой приобретает большую прочность. Срок службы обдутых дробью пружин, например, возрастает почти вдвое. Прочность коленчатого вала двигателя увеличивается в 9 раз, спиральных пружин - в 13 раз, сварных швов - в 3 раза.

Можно наносить удары по поверхности и стальными шариками. Правда, этот способ применяется только для обработки цилиндров и плоскостей. Но зато он может заменить тонкое шлифование и полирование и требует гораздо меньшей затраты труда. Для обработки крупных деталей вместо шариков применяют специальные бойки. Ударами бойка прочность металла повышается примерно в полтора раза.

При упрочении металла, так же как и при защите его от внешних воздействий, на помощь нередко приходит химия. Поверхностный слой насыщают углеродом и азотом, алюминием, хромом, кремнием, бором. Их молекулы проникают в защищаемый металл и образуют в нем твердый поверхностный слой с повышенной

Обкатка роликами значительно увеличивает твердость поверхности металлического изделия.

Обработка рессорных листов дробью делает их значительно «выносливее» к износу.

Удары стальных шариков увеличивают прочность деталей и сглаживают их поверхность.

прочностью и износоустойчивостью, стойкостью против окисления, нагрева, действия кислот. Нужные для этого химические вещества применяют в жидком виде - в растворах, газообразными или в виде порошков, которые в расплавленном состоянии наносят на поверхность металла. Так, например, покрывают детали алюминием.

Покрывают детали и твердыми сплавами. Твердосплавные покрытия позволяют повысить в 10 раз стойкость экскаваторов, дробилок, буровых инструментов, штампов, которыми приходится выдерживать интенсивное истирание, удары и трение. Это дает народному хозяйству миллионы рублей дополнительной экономии: ведь деталь можно изготовлять из обычной стали, а из дорогого сплава делать только тонкий защитный слой.

Защитные покрытия из сплавов и особо прочных металлов наносятся на деталь разными способами. Хром, например,- электролитическим путем. А при никелировании можно обойтись и без электрического тока. Деталь погружают в подогретый раствор, содержащий соединения никеля. Никель осаждается из раствора, причем очень равномерно. Получается слой строго определенной толщины. Это позволяет покрывать детали сложной формы с внутренними полостями. А если после покрытия деталь подогреть, защитный слой станет более твердым.

Детали, никелированные химическим способом, надежны в работе при высоких температурах.

Можно и иначе защитить поверхность металла - закалить, т. е. нагреть, тонкий наружный слой, оставив сердцевину более мягкой. Тогда деталь не станет хрупкой и будет хорошо переносить нагрузки, а твердый закаленный слой предохранит ее от поверхностного износа. Поверхность часто нагревают пламенем. Деталь вращают около движущейся вдоль нее горелки, и металл при этом насквозь прогреться не успевает. Затем его охлаждают водой. Слой в несколько миллиметров после нагрева и охлаждения становится твердым.

Широко применяется и другой способ закалки - с помощью токов высокой частоты. Если поместить металлическую деталь в переменное магнитное поле, то в ней появится ток, который распространится лишь по поверхности. В несколько секунд поверхностный слой нагреется и после охлаждения закалится. Закалочное устройство имеет индуктор - один или несколько витков медной трубки. По нему проходит ток высокой частоты, возбуждающий переменное магнитное поле. Внутри индуктора и помещают деталь. Меняя частоту тока, можно изменять толщину закаливаемого слоя от долей миллиметра до сантиметра. Индукторы разных форм позволяют закаливать самые разнообразные изделия - плоские, цилиндрические и т. п. Можно также закаливать поверхность не всей детали, а только отдельных ее частей - зубья шестерен, шейки валов, концы рельсов. Сейчас этот процесс успешно автоматизируется. Уже существуют закалочные установки - автоматы, работающие на токах высокой частоты. У них очень высокая производительность. На таком автомате можно закалить за сутки 350 тыс. швейных иголок. Игла за время падения внутри индуктора успевает нагреться и сразу же попадает в охлаждающее масло. Весь процесс занимает 0,3 секунды.

Электричество помогает упрочнять металл и другим способом - электроискровой обработкой. Деталь включается в цепь и служит электродом. Между ней и другим электродом, когда они сближаются, происходит электрический разряд. При этом мельчайшие частички металла, металлического сплава, углерода и т. д. переносятся с электрода-инструмента на электрод-деталь и поверхность детали постепенно покрывается тончайшим защитным слоем. Стойкость к износу трущихся поверхностей после электроискрового упрочения увеличивается во много раз. Это происходит потому, что высокая температура при разряде (выше 10 000°) обеспечивает быструю закалку.

Выше уже говорилось, что материал защитного покрытия может быть различным. К упомянутым уже твердым металлам и сплавам, углероду и т. д. надо прибавить еще особую керамику, содержащую окислы алюминия, титана, магния, хрома, циркония и других металлов. Так защищают от прогорания детали реактивных двигателей, турбинные лопатки, нагреватели электропечей, т. е. те детали, которые работают в условиях высоких температур. Керамику наносят большей частью распылением. Получается очень твердый, стойкий против всевозможных химических воздействий тонкий слой, который прочно соединен с металлом.

КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ДЕФЕКТОСКОПИЯ

ТЕХНИКА ТОЧНОСТИ

Точность и надежность

Представим себе на минутку, что подшипники тракторного двигателя изготовлены неточно - размер их диаметра завышен. Шейки коленчатого вала поместятся в них с большим зазором. При вращении коленчатый вал будет часто ударять по подшипникам и сам получать ответные удары. В конце концов произойдет авария. Пример показывает, насколько важна для современной техники точность изготовления деталей и точность измерения готовых изделий.

Существующая в мировой практике метрическая система мер и весов введена в 1872 г. С тех пор «царем» точности для измерения длин стал международный прототип (основной образец) метра. Его бережно хранят в «столице точности», в предместье Парижа - Севре, где помещается Международное бюро мер и весов. Место, в котором находится эталон метра, надежно ограждено от сотрясений и тепловых влияний.

В каждой стране есть свои эталоны метра. Они тоже хранятся в таких условиях, что их размеры надолго остаются практически неизменными. Все «нижестоящие» меры должны проверяться по эталону.

Представители метра на заводе - заводские эталоны. Это измерительные плитки, или концевые меры длины. Две противоположные мерительные поверхности каждой плитки отшлифованы и притерты с высокой тщательностью. На плитке обозначено расстояние между мерительными плоскостями. Соединив несколько имеющихся в наборе плиток, можно в известных пределах получить любой размер с точностью до 5 мк.

Инструменты-универсалы

Точность изготовления тех или иных деталей и их частей проверяется различными измерительными инструментами. У каждого из них есть своя область работы, своя «профессия». Все контрольно-измерительные средства можно подразделить на две большие группы. К первой относятся универсальные инструменты, которые могут измерять размеры в довольно широких пределах, ко второй - средства автоматического контроля; их применяют для измерения большого числа одинаковых деталей.

Самый простой измерительный инструмент - линейка. Но многие детали измерять линейкой неудобно. В этих случаях применяют кронциркуль и кронциркуль-нутромер. Когда-то кронциркуль и линейка были единственными мерительными инструментами. Теперь их используют редко - ведь ими можно производить только грубые измерения. На производстве часто встречается более точный инструмент, в котором кронциркуль и линейка объединены. Это штангенциркуль. У него к подвижной рамке прикреплена дополнительная шкала - нониус, с помощью которого можно определить доли миллиметра.

Штангенциркуль. 10 делений его нониуса равны 9 делениям основной шкалы. В результате штрихи нониуса сдвинулись относительно штрихов основной шкалы: первый - на 0,1 мм, второй - на 0,2 мм и т. д. Ведь каждое деление нониуса на 0,1 ям меньше деления на основной шкале. И пока нониус передвигается в пределах 1 мм, всегда совмещаются именно те штрихи обеих шкал, в порядковом номере которых содержится столько единиц, сколько «пройдено» десятых долей миллиметра. Несколько иначе происходит измерение штангенциркулем, когда нужно определить величину размера, большего чем 1мм. Но принцип измерения остается тот же.

Возможность измерить с точностью до 0,01 мм впервые появилась после того, как был изобретен микрометр. Основа этого измерительного инструмента - точный микрометрический винт, имеющий резьбу с шагом 0,5мм. На одном конце этого винта насажен барабан, по окружности которого нанесено 50 делений. Следовательно, при повороте на одно деление

Так можно удлинить этот микрометр-нутромер, если надо измерить большое отверстие.

винт передвигается всего на 0,01 мм. Торец свободного конца винта тщательно обработан - это мерительная поверхность. Гайкой винту служит стебель, прикрепленный к скобе. Вдоль стебля проведена черта, по обе стороны которой нанесены две шкалы. По одной шкале отсчитывают миллиметры, а по другой (ее штрихи совпадают с серединой миллиметровых делений) определяют величину дробной части размера - больше она или меньше 0,5 мм.

Измеряемая деталь вводится внутрь скобы и прижимается винтом к пятке, закрепленной на скобе против винта. Вначале определяют, рядом с каким делением миллиметровой шкалы остановился конец барабана,- так находят целое число миллиметров. По второй шкале стебля устанавливают, перешел ли барабан половину миллиметрового деления. Если не перешел, то это значит, что дробная часть больше 0,5 мм. Затем определяют, какое деление шкалы барабана совпало с продольной

чертой стебля. Это доводит точность измерения до сотых долей миллиметра.

Для столь же точного измерения внутренних размеров служит микрометр-нутромер - раздвижной стержень, имеющий такую же систему отсчета, что и микрометр.

Рычаг, пружина, зубчатое колесо

В самом начале XX в. появились рычажно-механические измерительные приборы, которые сразу же нашли широкое применение. Это легко объяснимо - ведь с их помощью можно проверить и размеры, и геометрическую форму, и волнистость поверхности. Другие инструменты всего этого делать не могут.

Наиболее широко на современных машиностроительных заводах применяют индикаторы часового типа. Внешне они и в самом деле напоминают большие карманные часы. Устроены индикаторы следующим образом. На измерительном стержне, который слабой пружиной прижимается к измеряемой детали, нарезаны зубья. Этими зубьями он соединяется с зубчатыми колесами. На одном из них «сидит» стрелка. Передаточное отношение зубчатых колес подобрано так, что перемещение стержня на 0,01 мм вызывает поворот стрелки на одно деление циферблата.

Нередко можно встретить приборы, основанные на применении рычага. Если плечи рычага относятся как 1:100, то перемещение короткого плеча на 0,01мм вызовет смещение конца длинного плеча на 1 мм. Соединив короткое плечо с измерительным стержнем, а длинное со стрелкой, мы получим прибор, называемый миниметром.

Микрокатор - самый точный рычажно-механический прибор. С его помощью можно измерить детали с точностью до 0,2мк (0,0002мм).

У очень точного прибора микрокатора, имеющего деление всего в 0,2 мк, основным элементом конструкции является необычная пружина. Представьте себе узкую стальную ленту, концы которой завиты в разные стороны. Если пружину растягивать, то она начнет раскручиваться. К ней прикреплена стрелка, поэтому малейшее перемещение стержня, растягивающего пружину, хорошо видно на циферблате.

Высшая точность

Эталоны, мерительные плитки, калибры и другие изделия, изготовляемые с наивысшей точностью, измеряются на оптических приборах. Эти приборы устанавливаются в лабораториях, где поддерживается постоянная температура + 20°. Один из наиболее распространенных оптических приборов - оптиметр. Устроен он так. Луч света через сферическую линзу освещает шкалу с делениями. Отразившись от шкалы, свет проходит через призму, преломляется в ней книзу и попадает на поверхность поворотного зеркала, соединенного с измерительным штифтом. Отразившись от зеркала, лучи попадают в окуляр. Они «несут» с собой изображение шкалы. Когда поворотное зеркало в исходном положении, нулевой штрих изображения шкалы совпадает с контрольной меткой на окуляре. Если зеркало повернется вокруг своей оси и займет новое положение,

изображение шкалы сместится относительно метки. Величина и направление смещения покажут, насколько и в какую сторону размер отклонится от своей номинальной величины.

Существует немало высокоточных оптических приборов. Но среди этих «рекордсменов» точности есть прибор, который по праву можно назвать «рекордсменом рекордсменов». Это интерферометр. В нем контролируемый размер сравнивается с длиной световой волны. Так как сама длина световой волны измерена учеными с величайшей точностью, то, определяя, сколько раз она уложится в контролируемом размере, можно измерять с точностью до тысячных долей микрона.

Кроме описанных здесь, существует большое число разнообразных и интересных контрольно-измерительных приборов. Некоторые из них проверяют правильность геометрической формы с исключительно высокой точностью и сами вычерчивают действительную картину; другие измеряют чистоту обработанной поверхности; третьи позволяют видеть на экране увеличенную деталь - они особенно удобны для измерения деталей сложного профиля... Однако

Оптиметр - очень точный прибор. Цена его деления равна 0,001 мм.

у всех у них один общий недостаток: пользование ими отнимает много времени, они невыгодны при измерении большого числа одинаковых деталей. Для измерения одинаковых деталей на заводах применяют предельные калибры. На измерение деталей с их помощью уходит мало времени. Каждый калибр предназначен для измерения только одного строго определенного размера. Такова, например, двухсторонняя предель-

ная скоба. Своей формой она напоминает букву X. В средней ее части обозначен номинальный размер «15», у одной из дуг - «+0,006», а у другой - «-0,006». Этот инструмент служит для проверки размера охватываемой детали. Расстояние между мерительными ножками скобы с той стороны, где помечено «+0,006», равно 15,006 мм, а с другой стороны - 14,994 мм. Первая сторона проходная, вторая - непроходная.

Деталь (например, валик) годна, если проходная сторона скобы под собственной тяжестью легко надвигается на диаметр, а непроходная сторона только «закусывает» и не продвигается дальше.

Двухсторонняя предельная пробка имеет на обоих концах одного стержня две цилиндрические мерительные пробки. На средней части обозначен номинальный размер «15», у одного конца - «0», у другого - «+0,019». Этот инструмент служит для проверки размера отверстия детали (размер 15 мм).

Первая пробка проходная, вторая - непроходная.

Переставная предельная скоба служит для проверки внешних размеров. Одна ее сторона - точная мерительная плоскость. А с другой стороны - пара мерительных стерженьков.

Это очень точно изготовленные микрометрические винты. Поэтому их можно переставлять - менять величину расстояния между ними и мерительной плоскостью. Таким инструментом можно измерить не только один и тот же номинальный размер с разными предельными отклонениями, но и несколько номинальных размеров, изменяющихся в очень малых пределах.

Однако скобы и пробки служат инструментами чисто ручной, «медленной» проверки. А как же все-таки сделать проверку быстрой, такой, чтобы она не служила тормозом в производственном процессе? В этом случае на помощь человеку приходит автоматика.

АВТОМАТЫ-КОНТРОЛЕРЫ

Контроль и качество

Вы едете в новом автобусе. Все в нем привлекает ваше внимание новизной, свежестью - красивая и прочная окраска, удобные, упругие сиденья, прозрачные стекла, блестящие поручни. Слышна ровная, спокойная работа мощного двигателя. И вы невольно проникаетесь уважением к создателям замечательной машины - конструкторам, металлургам, химикам, сборщикам, текстильщикам... Но вряд ли кто-нибудь, кроме специалистов, вспомнит в подобный момент о службе контроля. Действительно, контролеры сами ничего не создают. Но и от них в значительной степени зависит высокое качество изделия.

В предыдущей статье мы уже рассказывали о службе контроля. Речь шла об отдельных мерительных инструментах. А сейчас поговорим об автоматизации контроля, столь необходимой при современном промышленном производстве с его огромными партиями одинаковых изделий, высокими скоростями, температурой, давлением. Основное внимание в статье мы уделим датчикам. Это ответственнейшая часть измерительного прибора. Именно она дает сигнал об отклонении размеров или качества поверхности детали от заданной нормы. И чем

проще и надежнее датчики, тем легче автоматизировать весь процесс контроля (подробно о принципах устройства и работы различных типов автоматов рассказано в статьях раздела «Автоматика»).

Измерение воздухом

На заводах сейчас широко применяют пневматические измерительные приборы, использующие сжатый воздух. Вот один из таких приборов - с водяным манометром. Его действие основано на применении двух сообщающихся трубок - узкой и широкой, в которые налита подкрашенная вода. В верхней части трубок имеется камера, куда подается сжатый воздух. От этой же камеры отходит тонкий шланг, имеющий на конце круглую мерительную пробку. В ее стенках сделаны отверстия - сопла. Когда пробку вставляют в измеряемое отверстие, то выход воздуха из сопел, естественно, затрудняется, давление в камере возрастает и уровень воды в тонкой трубке понижается. Чем меньше зазор между пробкой и стенкой отверстия, тем меньше выходит воздуха через сопла и тем ниже опускается уровень жидкости. На стенках такой трубки нанесены деления. Прибор предварительно настраивается по контрольному эталону.

Пневматические приборы обладают многими ценными качествами: ими можно измерять с точностью до десятых долей микрона, конструкция их проста и надежна. При этом способе измерения между соплами и стенкой отверстия всегда имеется зазор. Благодаря этому пробка не изнашивается и деталь не изменяет своей формы. На автомобильных заводах, например, такими приборами контролируют отверстия под поршни в блоке цилиндров двигателя.

Для большей производительности действие прибора с водяным манометром можно автоматизировать. Вот один из способов: вместо воды в прибор наливают токопроводящую жидкость, а в тонкую трубку вводят два электрических контакта - один над другим. Получается своего рода предельный калибр: отверстие мало- уровень жидкости опустился и не касается нижнего контакта; отверстие в норме - нижний контакт замкнут, верхний не замкнут; отверстие завышено - замкнуты оба контакта.

Пневматический измерительный прибор с водяным манометром прост и надежен: он измеряет с точностью до десятых долей микрона.

Значительно чаще в контрольных пневматических автоматах применяются мембранные датчики. Они занимают мало места, надежны в эксплуатации и очень чувствительны: ими можно измерять с точностью до десятых долей микрона. Мембранный датчик - это камера из органического стекла, которую делит пополам эластичная резиновая мембрана. В обе полости камеры подается сжатый воздух. Воздух из одной полости выходит в атмосферу через

Мембранный датчик часто применяется в контрольных автоматах. Если давление в правой полости превысило постоянное давление воздуха в левой, мембрана прогнется и замкнет электрический контакт.

тонкий канал, поэтому давление в ней всегда постоянно. От второй полости отходит шланг с измерительными соплами. Здесь давление воздуха зависит от зазора между соплами и поверхностью измеряемой детали. Если зазор мал, то давление во второй полости возрастает, мембрана прогибается и замыкает электрический контакт.

На многих автоматах-контролерах, в которых используются мембранные датчики, имеется набор контактов. Они нужны для сортировки деталей по размерам. Чем выше требования к точности, тем больше таких размерных групп. Сборка высокоточных подшипников производится, например, по 50 размерным группам, причем они разнятся всего на 0,5 мк.

Электрические датчики и «зрячие» механизмы

В контрольных приборах-автоматах часто применяют электроконтактные датчики. Они имеют измерительный наконечник, который прижимается пружиной к контролируемой поверхности. Наконечник связан с качающейся планкой, концы которой могут замыкать два контакта. В зависимости от того, больше или меньше нормы измеряемый размер, замыкается один из контактов. Это вызывает в электросхеме соответствующий сигнал. Электроконтактные датчики применяются для контроля средней точности - до 1,5-2 мк.

При перемещении измерительного наконечника индуктивного датчика изменяются зазоры между дисками и катушками индуктивности. Это сказывается на силе тока. По шкале прибора, измеряющего силу тока, определяют, насколько передвинулся измерительный наконечник.

В последние годы используются индуктивные датчики. У них перемещение измерительного наконечника (здесь он играет роль якоря) изменяет индуктивность катушек датчика, а это в свою очередь изменяет силу тока. Измеряя силу тока, можно определить размер детали. Индуктивные датчики, так же как и пневматические, улавливают десятые доли микрона. Производительность автоматов, оснащенных такими датчиками, очень высока.

До сих пор мы говорили о проверке геометрических размеров. Но необходимо еще и контролировать качество поверхности детали, проверять, нет ли на ней вмятин, ржавчины или других дефектов. Контролеру на подшипниковых заводах, например, приходится за смену осматривать несколько тысяч мелких шариков или роликов. Это очень утомительная работа. И наши инженеры создали «зрячие» автоматы. Контролируемый шарик вращается. На него падает луч света и, отражаясь, освещает фотоэлемент, который вырабатывает ток. Когда луч попадает на участок поверхности, где имеется какой-либо дефект, отраженный свет слабеет. Уменьшается и сила тока. Это и есть сигнал о том, что деталь имеет брак.

Их ожидает большое будущее

Датчики, с которыми вы познакомились, могут быть использованы далеко не везде. Поэтому сейчас при поисках новых методов измерения в первую очередь разрабатываются новые конструкции датчиков, лишенные старых недостатков. Ученых и инженеров, работающих над автоматическими контролерами, очень привлекают, например, механотроны. Это электровакуумные приборы, похожие на радиолампы, только у механотрона можно механическим путем перемещать электроды. Малейшее смещение электродов, происходящее при измерении деталей, вызывает изменение анодного тока.

Появились первые контрольные приборы, использующие для измерения деталей поток гамма-лучей. Проводятся опыты даже по применению ультразвука для контроля размеров. Успешно проведены экспериментальные работы с применением телевизионной аппаратуры и вычислительных машин в контроле. Полученные результаты показали, что есть реальная возможность создать удивительные приборы, которые будут вести измерения электронным лучом.

Механотрон напоминает радиолампу, но у него можно перемещать электроды. Такое перемещение вызывает соответствующее изменение анодного тока. Измеряя его, можно судить о величине сдвига электродов и, следовательно, о размере детали.

ДЕФЕКТОСКОПИЯ

Почему разбилась «Комета»

До сих пор, рассказывая о службе контроля в современной промышленности, мы в основном останавливались только на одной проблеме - проверке точности соответствия размеров и формы детали заданной норме. Но хорошие качества изделий связаны также и с тем, не имеют ли они или материал, из которого их сделали, каких-нибудь внутренних дефектов. От того, как служба контроля справляется с проверкой в этой области, зависит очень и очень многое.

...В 1952г. на международных авиалиниях появился английский реактивный пассажирский самолет «Комета». Вначале рейсы проходили вполне благополучно, но в январе 1953 г. у о-ва Эльба внезапно произошла авария. Все тридцать пять человек, находившиеся на борту, погибли. Катастрофа произвела тягостное впечатление. Самолеты «Комета» были сняты с эксплуатации и подвергнуты тщательному осмотру. Однако никаких явных причин аварии не было обнаружено, и «Кометы» снова стали летать. А через две недели после возобновления полетов недалеко от Неаполя снова произошла катастрофа. И снова никто не спасся. Только через полгода выяснилось, что причиной воздушных трагедий были маленькие трещины в стенах кабин. Заметить их на земле было очень трудно, но, когда самолеты поднимались на большую высоту, воздух через такую трещину начинал быстро выходить наружу. А в определенных условиях такая утечка воздуха принимала характер взрыва.

История техники знает немало подобных катастроф, виновниками которых были невидимые глазу дефекты. Бороться с ними нам помогает дефектоскопия. Ее задача заключается в том, чтобы создать такую аппаратуру и такие методы проверки, с помощью которых можно было бы «заглянуть» внутрь материалов.

Просвечивание материалов

Каждому, наверно, известно, что такое рентгеновский аппарат и какое он имеет значение для медицины. А через 15 лет после открытия К. Рентгена, в 1910 г., известный русский физик Петр Николаевич Лебедев создал рентгеновскую трубку, которая позволила просвечивать металлические предметы. В усовершенствованном виде эта трубка применяется и теперь. Этот прибор напоминает обычный рентгеновский аппарат, но работает он на гораздо большем напряжении, так как в металле лучи сильно поглощаются.

Измерение при помощи гамма-лучей. Пока деталь не обработана, в приемник попадает мало лучей. По мере снятия стружки их попадает в приемник все больше и больше. Соответственно возрастает и электрический ток. Как только ток достигнет определенной величины, это значит, что размер обрабатываемой детали соответствует заданному.

Рентгеновские трубки не единственный источник просвечивающих лучей. Например, гамма-излучение, возникающее при распаде радиоактивных веществ, по своему просвечивающему действию не отличается от рентгеновских лучей. Дефектоскопическая гамма-установка - это свинцовая коробка-контейнер, в которой помещен искусственный радиоактивный изотоп, испус-

кающий гамма-лучи. Гамма-установки могут просвечивать металл меньшей толщины, чем рентгеновские аппараты, зато они очень просты и их можно использовать в любой обстановке - ведь они не нуждаются в электроэнергии.

Просвечивание изделий производится так: рентгеновские или гамма-лучи направляются на деталь, за которой помещают фотографическую пленку. Если внутри материала имеется пустота - раковина, то прошедшие сквозь нее лучи потеряют меньше энергии, чем лучи, прошедшие через всю толщу металла. Они будут сильнее воздействовать на эмульсию пленки, на которой появится темное пятно. Если имеются какие-либо плотные включения, то они, наоборот, видны на пленке в виде более светлых пятен.

Движение электрона в магнитном поле бетатрона напоминает раскручивание камня пращой. Слева - схема работы бетатрона. Электрон разгоняется в бетатроне до огромной скорости. Если на его пути поставить металлическую пластинку, то при ударе о нее возникает мощное рентгеновское излучение. С его помощью можно обнаружить дефекты в металлических деталях толщиной 50-60 см.

Чем толще контролируемый металл, тем больше времени надо затратить на получение снимков. Поэтому рентгеновскими аппаратами стремятся просвечивать изделия толщиной не более 10-15 см. Но ведь существует немало очень ответственных деталей, толщина которых значительно больше. Для них нужен какой-то иной, чрезвычайно мощный источник рентгеновских лучей. Такой источник был найден среди установок, применяемых для исследования атомного ядра. Называется этот прибор бетатрон. Он представляет собой как бы пращу, «раскручивающую» электрон. «Пращой» является кольцевая камера, из которой полностью выкачан воздух. Электрон, двигаясь по кольцу, постоянно получает все новые и новые порции энергии от магнитного поля. В конце концов он приобретает огромную скорость и энергию. Если теперь его направить на пластинку, играющую ту же роль, что и анод в рентгеновской трубке, то при ударе возникнет рентгеновское излучение. Его мощность настолько велика, что позволяет просвечивать даже металл толщиной 50-60 см.

Помимо рентгенографирования, для выявления дефектов, так же как и в медицине, применяют специальные экраны, на которых сразу, во время просвечивания, видно, имеет ли изделие дефекты. Рентгеновские лучи большой мощности, применяемые в промышленности, представляют угрозу для здоровья, поэтому наблюдение за экраном ведется с помощью телевизоров. При таком способе контроля заметить и определить дефект можно только при ярком изображении. Но изобретатели справились и с этой задачей. Совсем недавно были разработаны электронные оптические преобразователи, которые повышают яркость изображения в 1000 раз.

3вук-контролер

На всех железнодорожных станциях мира можно наблюдать одну и ту же картину: железнодорожник идет вдоль состава и молотком постукивает по колесам. Так проверяют, все ли в порядке. Ведь если в колесе есть трещина, раздастся дребезжащий звук. Понятно, что выявить подобным простукиванием раковины, уплотнения и другие дефекты, расположенные

внутри детали, невозможно. Но значит ли, что нельзя использовать сам этот принцип? Нет. Только вместо обычного звука применяют ультразвук.

Вы можете спросить: зачем нужны еще и ультразвуковые дефектоскопы, когда имеются просвечивающие приборы? Оказывается, в ряде случаев звуковые колебания имеют неоспоримые преимущества перед рентгеновским излучением. С помощью ультразвука можно обнаружить, например, мельчайшие дефекты, расположенные на глубине до метра, и точно определить их местонахождение, можно измерить толщину детали и т. д. Причем нет нужды ни в фотопластинке, ни в проявителях: наличие дефекта сразу определяется сигналом на экране дефектоскопа.

В дефектоскопах ультразвуковые колебания создаются пьезоэлектрическими пластинками. Дело в том, что при растяжении или сжатии некоторых кристаллов на их гранях появляются электрические заряды и, наоборот, при пропускании тока переменного напряжения такие кристаллы изменяют свои размеры.

Для обнаружения дефекта две пьезоэлектрические пластины прижимают к изделию с противоположных сторон. Одну из пластин подключают к высокочастотному генератору. При пропускании тока эта пластинка будет с очень большой частотой изменять свою толщину. Создаваемые таким образом ультразвуковые колебания пройдут сквозь толщу проверяемого материала и начнут сжимать вторую пластинку, которая под их воздействием будет вырабатывать электрические заряды. Появление зарядов и указывает на то, что изделие годное. Если же в нем имеется дефект, ультразвуковые колебания, отразившись от него, вернутся назад и никаких зарядов на второй пластинке не появится. На нее как бы упадет звуковая «тень». Поэтому такой способ проверки и называется «теневым».

Проконтролировать изделие можно, устанавливая обе пьезоэлектрические пластинки с одной его стороны. При этом ультразвуковые колебания от излучающей пластины проходят сквозь изделие и отражаются обратно от противоположной стороны. Одновременно с посылкой пучка ультразвука на экране электроннолучевой трубки, которая служит для регистрации дефектов, появляется светящийся «всплеск» - начальный сигнал. На этот же экран направляются и отраженные сигналы, образующие на экране второй «всплеск». Если же в детали есть дефект, то часть ультразвуковых колебаний отразится от него и попадет на приемную пластинку раньше, чем попадут на нее колебания, отразившиеся от противоположной стороны,- ведь они пройдут более короткий путь. Это вызовет на экране появление третьего «всплеска» - эхо-сигнала. Расстояние между этим всплеском и начальным сигналом пропорционально глубине залегания дефекта. Такой способ контроля называется импульсным эхо-методом.

Так производится контроль детали ультразвуковым эхо-методом. Дефект вызовет на экране прибора «всплеск». Расстояние между ним и начальным сигналом пропорционально глубине залегания дефекта.

Ультразвуковые дефектоскопы широко применяются в промышленности. Огромные кованые детали, котлы, колеса турбин, автопокрышки, клееные изделия и многое, многое другое контролируется ультразвуком. Особенно ценно, что такой контроль можно автоматизировать. Сейчас, например, автоматически «прозвучиваются» листы металла после прокатки. Появилась установка для проверки рельсов прямо на ходу поезда.

Хотя ультразвуковые дефектоскопы во многих случаях просто незаменимы, они все же имеют и недостатки. И главный из них - невозможность видеть сам дефект. А это необходимо для того, чтобы правильно оценить порок и выбрать способ его устранения. Поэтому сейчас ученые и инженеры, помимо разработки новых улучшенных конструкций дефектоскопов, работают и над созданием аппаратуры, превращающей ультразвук в изображение.

Магнитный метод проверки

Ни просвечивание, ни «прозвучивание» не позволяют обнаружить мельчайшие трещины на поверхности детали. Для борьбы с этими врагами человек создал особое оружие.

Все знают, что если магнит посыпать железными опилками, то они расположатся вдоль магнитных линий. Но при наличии трещины магнитные линии изменяют свое расположение

и опилки скапливаются около трещины. Это свойство нашло применение в дефектоскопии. Чтобы проконтролировать деталь, ее сначала намагничивают, а потом посыпают тонко измолотым железным порошком. Иногда такой порошок разведен в керосине или в машинном масле.

С помощью порошка можно выявлять пороки только у деталей со шлифованной поверхностью. При необработанной поверхности порошок помогает мало. Кроме того, контролировать таким методом удобно только небольшие поверхности. Сейчас, если надо проверить большую поверхность, применяются магнитофонные ленты. Представьте себе, что вам надо проверить многокилометровый трубопровод. Делается это так. После того как проверяемый участок намагничивают переносными магнитами, к нему плотно прижимают Магнитофонную ленту. Под влиянием магнитного поля ферромагнитные частицы ленты расположатся в определенном порядке, т. е. произойдет «запись» состояния металла. «Запишутся», конечно, и дефекты. Теперь остается пропустить ленту через соответствующую аппаратуру. Если на экране электроннолучевой трубки появятся «всплески», значит, трубопровод имеет дефекты.

Магнитный контроль вовсе не обязательно предусматривает пользование порошком или лентой. Разработаны приборы, непосредственно откликающиеся на изменение магнитного поля, вызываемое присутствием дефекта. Такова дефектоскопия методом вихревых токов. Дело в том, что величина вихревых токов зависит от электропроводности материалов. Если в магнитное поле катушки, питаемой переменным током, поместить контролируемую деталь, в ней появляются вихревые токи.

Они в свою очередь влияют на сопротивление катушки. И всякое изменение вихревых токов, возникающих из-за наличия скрытых в детали пороков, вызывает соответствующее изменение сопротивления катушки. А его нетрудно измерить специальными приборами.

Лампа и краски

В природе довольно часто встречаются вещества, которые после облучения ультрафиолетовыми лучами начинают светиться. Называются они люминофорами. Эти вещества и применяются в дефектоскопии для отыскания мелких изъянов поверхности. Деталь опускают в жидкий люминофор, который под воздействием капиллярного давления проникает даже в самые мельчайшие дефектные полости. Затем люминофоры тщательно удаляют с поверхности детали; он остается только в трещинах. После этого деталь посыпают порошком, который впитывает люминофор. И если теперь осветить изделие специальной лампой, излучающей ультрафиолетовые лучи, люминофор, пропитавший порошок, начинает светиться и неразличимые доселе дефекты становятся видны как на ладони.

Есть еще один способ люминофорной дефектоскопии. Он носит название беспорошкового. Чтобы обнаружить дефекты этим способом, деталь также погружают в ванну с раствором люминофора - на этот раз в летучем растворителе. Когда деталь вынута из ванны, растворитель быстро улетучивается, а по краям трещины остаются кристаллы люминофора. Затем деталь на 25-30 секунд помещают в пары веществ, которые «тушат» люминофор, находящийся на поверхности. После этого деталь облучают. И если на детали были трещины, они начинают ярко светиться. С помощью лампы и люминофора можно обнаружить трещины шириной менее одной сотой миллиметра.

Для отыскания мелких изъянов поверхности применяют ультрафиолетовую лампу и светящиеся краски - люминофоры.

При всех методах проверки, о которых речь шла выше, обязательно требовалась та или иная аппаратура. А вот при контроле методом красок никаких аппаратов не надо. При дефектоскопии по этому методу деталь смачивают яркой краской. Потом поверхность очищают и снова покрывают краской, но на этот раз белой, или посыпают белым порошком. Краска, оставшаяся в трещинах, проступает наружу, оставляя на белой поверхности четкие, яркие следы.

Том 1. Земля	[1) ...]	[2) ...]
Том 2. Мир небесных тел. Числа и фигуры	[1) ...]	[2) ...]
Том 3. Вещество и энергия	[1) ...]	[2) ...]
Том 4. Растения и животные	[1) ...]	[2) ...]
Том 5. Техника и производство	[1) ...]	[2) ...]
Том 6. Сельское хозяйство	[1) ...]	[2) ...]
Том 7. Человек	[1) ...]	[2) ...]
Том 8. Из истории человеческого общества	[1) ...]	[2) ...]
Том 9. Наша советская Родина	[1) ...]	[2) ...]
Том 10. Зарубежные страны	[1) ...]	[2) ...]
Том 11. Язык. Художественная литература	[1) ...]	[2) ...]
Том 12. Искусство	[1) ...]	[2) ...]
- Список томов

УЧИТЕСЬ, ДУМАЙТЕ, ТРУДИТЕСЬ, ДЕРЗАЙТЕ!

ТЕХНИКА И КОММУНИЗМ

ТЕХНИКА, ЕЕ ПРОШЛОЕ, НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ

ПРОШЛОЕ

У наших далеких предков

На заре истории техники

Новое время

Победа электричества

ПЕРВЫЙ ПРОЕКТ РЕАКТИВНОГО САМОЛЕТА

НАСТОЯЩЕЕ

Движущая сила

В мире автоматики

Химизация народного хозяйства

На переднем крае

Техника и экономика

Техника сегодняшнего дня

ОН ВИДИТ НЕВИДИМОЕ

БУДУЩЕЕ

КЛУБ ЮНЫХ КОСМОНАВТОВ

СОЮЗ ТЕХНИКИ И БИОЛОГИИ

МАШИНА - ОСНОВА СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКИ

ЧЕЛОВЕК И МАШИНА

ЧТО МЫ НАЗЫВАЕМ МАШИНОЙ

УЗЛЫ И ДЕТАЛИ МАШИН

Рабочие органы

Двигатели

Передачи

Опоры

Тормоза

Соединения

Устройства управления

Станины и ходовое оборудование

КАК ГНУТЬ ДЕРЕВО

КАК СОЗДАЕТСЯ МАШИНА

КБ получает задание

Машина обретает контуры

ГОСТ и нормали

Взаимозаменяемость и допуск

Унификация деталей и типизация машин

Из чего делают машины

Надежность и долговечность

КБ сдает заказ

Чертеж - язык техники

ЧТО ТАКОЕ ТЕХНОЛОГИЯ

Как удалить ржавчину

СКОЛЬКО СТОИТ МАШИНА

НЕСКОЛЬКО СОВЕТОВ ТЕМ, КТО СОБИРАЕТСЯ ОКРАШИВАТЬ ДЕТАЛЬ

ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

ОСТОРОЖНО - СТЕКЛО!

ТЕХНИКА И ЭСТЕТИКА

ЭНЕРГИЯ - ДВИЖУЩАЯ СИЛА ТЕХНИКИ

ОТ ПЛАНА ГОЭЛРО К БОЛЬШОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

Лавина энергии

Энергия должна быть дешевой

Электростанции страны «берутся за руки»

ДВИГАТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ

Новый облик старых машин

Первая тепловая

На жидком топливе

На высоких скоростях

Вторичные, но на первом месте

Рождающие ток

ФАБРИКА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И ТЕПЛА

РАДИОПЕРЕДАТЧИК «ВЫСЛУШИВАЕТ» МАШИНУ

КАК РАБОТАЕТ ГЭС

АТОМНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Энергия вокруг нас

«Сердце» АЭС

Первые киловатт-часы

Белоярская АЭС

СХЕМА РАБОТЫ ПЕРВОЙ В МИРЕ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

А что впереди?

ПЕРЕМЕННЫЙ И ПОСТОЯННЫЙ ТОК В ТЕХНИКЕ

АТОМНЫЙ РЕАКТОР И ПРЕСНАЯ ВОДА

ПРЕДНАЗНАЧЕНО ПРИРОДОЙ

ЭНЕРГЕТИКА БУДУЩЕГО

Приливы за работой

Из солнечного луча

Подземный кипяток

Плазменный генератор