Тема 3.2. Развитие науки и техники во второй половине ХХ – начале ХХІ вв

Электроэнергетика и электрические системы. Во второй половине ХХ в. значительно возрастают мощности тепловых электростанций (ТЭС). Путем повышения давления и температуры пара, направляемого в турбины, достигались показатели 0,5 млн. кВт при единичной мощности агрегатов 200 тыс. кВт. Начали применять тепловые установки с параметрами пара в 170 атм. и температурой свыше 530°С. Это значительно повысило КПД паротурбинных генераторов, но при этом проявились некоторые технические трудности. В частности, начала падать эффективность работы паросепараторных устройств котлов. С их помощью в обычных условиях устранялись отложения солей на рабочих органах турбины. Этот недостаток был устранен путем применения новых высококачественных марок стали.

На ТЭС начали применять регенерирование подогрева подаваемой воды котлов паром, который собирался с промежуточных ступеней турбины, что позволяло значительно сократить расход тепла на производство одного киловатт-часа. Температура подаваемой воды в конденсационных турбинах большой мощности (100–150 тыс. кВт) составляла 150–225°С, а в агрегатах со сверхвысоким давлением доходила до 300°С.

В повышении экономичности ТЭС большое значение имело развитие топливно-котельной техники: переход к новым методам сжигания топлива, использованию мощных котлогенераторов, механизации процессов подачи топлива, сжиганию мелкоизмельченного угля, внедрению прямоточных паровых котлов. Эти нововведения дали возможность применить при строительстве электростанций принцип блочности («котел – турбина»).

Современные паровые турбины строятся комбинированными активными одновальными или смешанными активно-реактивными многоступенчатыми с частичной переработкой тепла в каждой ступени. Увеличение количества ступеней турбины ведет к возрастанию ее экономичности. Если число ступеней превышает 25, то она составляется из трех цилиндров. Разведенный на два потока выпуск пара повышает мощность турбины. Кроме того, применяются турбины с высоким начальным давлением пара и высоким противодавлением, турбины высокого давления с вторичным перегревом пара, а также реактивные турбины, паротурбинные установки с применением ртутно-водяного бинарного цикла. Так, в 1960–1970-е гг. в Украине на Харьковском турбогенераторном заводе был налажен выпуск турбин мощностью 2 млн. кВт и больше.

На ТЭС основным элементом по производству электроэнергии являются синхронные генераторы трехфазного переменного тока, непосредственно соединенные с валом турбины. Одним из основных элементов эксплуатации являются способы охлаждения его обмоток, для чего применяется водород. Так, американский концерн General Electric в своих изделиях для этой цели использует размещенные в пазах секции обмотки ротора полые трубки прямоугольного сечения, для чего предусмотрен независимый контур. Водород охлаждается центробежным вентилятором.

В рассматриваемый период возросло значение использования гидроэлектростанций (ГЭС). Но капиталовложения в их строительство значительно выше (гидротехнические, земляные и бетонные работы), чем в тепловых. С целью экономии средств начинается строительство совмещенных ГЭС, на которых отсутствуют специальные машинные залы. Гидроагрегаты устанавливаются в самой плотине. Сама же ГЭС соединяется с водосливными сооружениями. Так, в 1961 г. в Украине начала работать Кременчугская ГЭС на Днепре. У нее нет машинного зала. Агрегаты сверху накрыты специальными колпаками.

Строительство ГЭС дает возможность экономить ресурсы, в частности, каменный уголь, особенно тем странами, у которых нет больших месторождений. В Италии, например, в 1960-е гг. удельный вес ГЭС составлял более 81%. С другой стороны, в США производство гидроэлектроэнергии было в 5 раз меньше, чем на ТЭС. Производство электроэнергии на ГЭС имеет большое значение для экономики таких стран, как Канада, Франция, Швейцария, Норвегия, Швеция.

Хотя существует более 300 типов гидротурбин, но все они подразделяются на два основных класса: активные (наиболее распространенный ковшовый тип) и реактивные (осевые). На одном валу с рабочим колесом турбины крепится ротор гидротурбинного генератора, который является синхронным генератором переменного тока.

В последние десятилетия возросло значение электроэнергетики, специализирующейся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в электрическую энергию. Такое преобразование осуществляется ветрогенераторами. Интенсивно развивается и солнечная энергетика, основой которой является непосредственное использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде, поскольку солнце – неисчерпаемый источник энергии.

В 1950-х гг. ученые занялись решением проблемы использования атомной энергии в мирных целях, прежде всего для получения дешевей электроэнергии, произведенной на атомных электростанциях.

Атомная техника базируется на использовании цепной реакции деления тяжелых ядер урана медленными нейтронами. Управляемые цепные реакции осуществляются на изотопах урана-235, выделяемого из природного урана, урана-233, плутония-239 (получаемого из урана-238), плутония-241. Были разработаны технологические процессы: диффузионный и электромагнитный – разделения близких по своему атомному весу изотопов. Наиболее эффективным оказался диффузионный метод.

Главным устройством в атомной технике является реактор. Его используют для получения электроэнергии, вторичного ядерного топлива, радиоактивных изотопов. Атомные реакторы бывают двух видов: одни работают на медленных, а другие – на быстрых нейтронах. Реакторы на медленных нейтронах существуют двух типов. Первые экспериментальные представляли собой гетерогенный котел, в котором атомное горючее в виде стержней урана, обогащенного изотопом урана-235 или природного урана, помещалось в замедлитель (графит или тяжелую воду), который замедлял быстрые нейтроны до тепловых – медленных. Такие реакторы были дорогими в производстве, громоздкими и сложными в эксплуатации. Более высокие эксплуатационные качества оказались у водо-водяных реакторов, в которых замедлителем и отражателем нейтронов, теплоносителем и защитой служит обычная вода. Другой тип медленного реактора – гомогенный, где горючее в виде порошка находится во взвешенном состоянии в жидком замедлителе (соль урана в тяжелой воде).

В реакторах, которые работают на быстрых нейтронах, теплоносителем является жидкий металл, а замедлитель отсутствует. В атомных реакторах, работающих на быстрых нейтронах (реакторах-размножителях) процесс протекает с восстановлением. Они производят не только электроэнергию, но и ядерное топливо: неактивный изотоп урана-238 превращается в ядерно-активный металл – плутоний-239, а торий-232 – в уран-233. Первый реактор для производства радиоактивных изотопов был создан в Канаде в 1945 г. В США реактор-размножитель (или бридерный реактор) был построен в 1951 г.

Активная зона реактора окружается слоем вещества, которое отражает нейтроны. Для защиты людей, работающих возле него, от нейтронного и гамма-излучений, применяются бетон и свинец. Регулирование работы реактора производится стержнями, изготовленными из бора и гафния или кадмия путем изменения величины потока нейтронов. В качестве теплоносителя или охлаждающей среды используется вода, углекислый газ или гелий, а также жидкие металлы – калий, свинец, натрий.

Атомные электростанции (АЭС) имеют одно-, двух- или трехконтурные схемы, которые зависят от системы теплопередачи. Первичный теплоноситель (жидкий металл) в теплообменнике отдает тепло другому теплоносителю (газ или вода), которые используются в виде пара или горячих газов в турбинах. Это пример двухконтурной схемы, преимущество которой заключается в том, что биологическая защита необходима только для реактора и теплообменника, а не для всего теплосилового оборудования. В 1954 г. началось производство электроэнергии на первой АЭС, построенной в г. Обнинске.

В это же время были развернуты работы по созданию транспортных энергосиловых установок на ядерном топливе. В январе 1955 г. в США вступила в строй первая атомная подводная лодка Nautilus водоизмещением 3180 т и скоростью хода 20 узлов. В 1958 г. она достигла Северного полюса. Вскоре строительство подводных и надводных (авианосцы, ракетные крейсеры) атомоходов среди ведущих морских держав приобрело массовый характер.

В 1955 г. в СССР был построен ледокол, суммарная мощность 3-х атомных реакторов которого составляла 44 тыс. л.с. Через два десятилетия, летом 1977 г. капитан Кучиев вывел новый атомный ледокол «Арктика» к Северному полюсу в надводном положении, преодолев 10-балльные многолетние льды.

Генераторы, а также электрические линии и подстанции составляют электрическую систему. В нее входят: конструкции распределительных устройств, схемы электрических соединений, обеспечение параллельной работы электростанций, защита от перенапряжения. Энергетические системы являются совокупностью электростанций и электрических сетей. ГЭС используются для снятия «пиков» суточного графика загрузки. Электростанции объединяются в районные электросети, которые входят в единую энергетическую систему.

В электроэнергетике важное место занимает процесс автоматизации управления и контроля. В эксплуатации энергетических систем используются диспетчерские пункты, оборудованные современными средствами автоматизации и компьютеризации.

Ускоренными темпами в рассматриваемый период продолжало развиваться производство электроаппаратуры, что было связано с вводом в действие мощных электростанций и линий электропередач. Важная роль среди этой аппаратуры принадлежит силовым выключателям, работа которых по мере создания объединения энергосистем все время усложнялась. Кроме того, они выполняют функции защитных аппаратов. Так, в США был создан трехбаковый масляный выключатель на 69 кв, 2 тыс. а, имевший номинальную разрывную мощность 3,5 млн. кв.

Усложнение энергосистем вело также к появлению предохранителей термического типа для цепей трехфазного тока. Созданный в США предохранитель такого типа имел 3 разделенных выключающих элемента, срабатывающих одновременно при перегрузке одной из фаз за 1–2 миллисекунды.

Ввод в действие высоковольтных линий электропередач зависит от применения трансформаторов высокого напряжения. А их создание, в свою очередь, – от использования специальных изоляционных материалов и сортов стали. Так, немецкая фирма AEG сконструировала трансформатор напряжением в 200 тыс. кв. Вес используемого в нем специального масла составил 42 т (при общей массе конструкции 271 т). Получили распространение также трансформаторы сухого типа, в которых в качестве диэлектрика используется циркулирующий воздух. Их преимуществом является большая пожарная безопасность.

Немаловажное значение для создания электротехнических аппаратов имеет изоляция, в качестве которой начали применять кремнийорганические соединения, что позволило увеличить мощность электромашин и аппаратов без увеличения их веса. Замена меди на алюминий при производстве электротехнических приборов и оборудования привела к использованию вместо обычных изолирующих материалов пленки окиси алюминия толщиной в 0,0002 дюйма.

В 1960-х гг. начинается применение полупроводников для производства бесконтактных регуляторов. В них процессы замыкания и размыкания тока происходят без механического разрыва или соединения цепи. Функции выключателя выполняет магнитный усилитель (полупроводник). Такой регулятор плавно подключает напряжение и постепенно доводит его до нужных параметров.

Металлургия, химические технологии и машиностроение. Во второй половине ХХ в. производство черных металлов было преобладающим в металлургической отрасли и значительно превышало выпуск цветных. Производство чугуна, различных сортов стали и проката является основой развития электроэнергетики, машиностроения, транспорта, строительства зданий и сооружений. Хотя в создании современной техники значение новых материалов, в том числе легких сплавов, очень высоко.

Развитие электрометаллургии связано с необходимостью выпуска новых сортов стали с заранее заданными физическими и химическими свойствами. Важное значение имеют электротермические металлургические процессы в производстве ферросплавов, наиболее распространенными среди которых являются ферросилиций, ферромарганец, феррохром, ферровольфрам, феррованадий. Ферросплавы производят в открытых дуговых электрических печах. Производство электроферросплавов налажено во многих станах, но крупнейшим производителем является Норвегия.

Развитие авиации и космонавтики напрямую связано с производством легких металлов – алюминия, магния и титана, а металлургия легких металлов – с развитием электроэнергетики. Ведь для производства 1 т магния необходимо 30 тыс. кВт ч. электроэнергии.

В алюминиевой и магниевой промышленности появились технологические процессы, связанные с электролизом расплавленной среды, протекающие при температуре более 900°С. Методы электролиза используются также для получения меди, никеля, цинка, лития, бериллия, тантала. Магний и алюминий применяются в производстве тугоплавких и редких металлов и их окислов. Современные технологии дают возможность получать чистые металлы из минерального сырья, где они находятся в смешанном виде.

Зачисление в группу редких металлов не связано с его малым содержанием в земной коре. К редким относятся металлы, которые трудно получить в элементарном состоянии. Запасы редких металлов достаточно велики. Так, титана, цезия, ниобия, гафния в земной коре значительно больше, чем олова, ртути и кадмия. Но вот способы их получения очень дорогостоящие.

Вся технология получения редких металлов разделена на две стадии: получение чистого химического соединения редкого металла и получение редкого металла в элементарном состоянии. Среди редких металлов в отдельную группу выделяются тугоплавкие с температурой плавления превышающей 1700°С. Вольфрам, молибден, ванадий, титан, ниобий, тантал используются в основном в производстве специальных сталей в качестве раскислителей или легирующих добавок. Карбиды металлов отличаются очень высокой твердостью. Например, из вольфрама и титана производятся нити электрических ламп, а из тантала, молибдена и ниобия – детали компьютеров.

Для современного уровня развития техники необходимо использование металлов высокой степени чистоты. Так, применение в радиоэлектронике германия предъявляет такие требования: если на 10 млн. атомов попадают 2 атома примеси, то металл значительно теряет свои свойства. В реактивной авиации недопустимо попадание в материалы высокого уровня жаропрочности даже абсолютно малых частиц примесей свинца или серы.

Создание новых образцов атомной техники, электроники, авиации и космонавтики было обеспечено как развитием металлургии, так и химических технологий. Из различных отраслей химической промышленности следует выделить производство синтетических материалов и изделий из них. Характерной чертой современных химических технологий является применение распространенных элементов, которые раньше использовались мало, и превращение их в основу развития химической промышленности.

В химической промышленности применяются новые методы: высокое давление (от нескольких сотен до 2000 и выше атмосфер); глубокий вакуум (до тысячных долей атмосферы); высокие температуры (до нескольких тысяч градусов); глубокий холод (температуры, близкие к абсолютному нулю); используются ультразвук, электроразряды, радиоактивное излучение. Одной из тенденций современной химической науки является проектирование молекулярной структуры вещества в соответствии с заданными свойствами на основе изучения законов образования молекул.

Современная химическая промышленность использует автоматизацию и компьютеризацию производства, чему способствует преобладание в ней непрерывных технологических процессов. Под компьютерный контроль поставлены прежде всего процессы регулирования температуры, давления, состава, скорости протекания реакций.

В середине ХХ в. в машиностроении наблюдалось развитие специализированного производства, на котором выпускалась прежде всего стандартная продукция. Особенность станкостроения заключалась в том, что в это время значительно возросло количество типов станков, начиная от таких, которые предназначены для изготовления мельчайших деталей приборов, и до самых тяжелых. Одним из импульсов развития станкостроения было развитие крупного энергетического машиностроения. Так, в Украине на Краматорском заводе тяжелого станкостроения был создан токарный станок, способный обрабатывать детали весом до 170 т длиной 30 м и высотой 3 м. Мощность его электродвигателей составила 260 кВт.

В послевоенные годы в машиностроительных отраслях ведущих индустриальных стран мира происходила замена металлорежущих станков, созданных на принципах многопозиционности и многоинструментальности, предназначенных для выполнения определенных операций, на агрегатные станки, которые были созданы из набора укрупненных нормализованных узлов-агрегатов. На одном таком станке можно обрабатывать изделия одновременно несколькими инструментами.

Одним из направлений развития машиностроения является сокращение объемов обработки изделий путем резания, так как много металла при таком методе в виде стружки уходит в отходы. Их сокращение достигается развитием кузнечно-штамповочного производства. В таком производстве широко применяется бесконтактный нагрев металла токами высокой частоты. Это приводит к снижению образования окалины, уменьшаются допуски на механическую обработку деталей, улучшается качество поковок.

Производство реактивных двигателей потребовало массового изготовления точного литья по выплавленным моделям. Кроме того, начало применяться литье в оболочковых тонкостенных разовых формах, изготавливаемых по металлическим подогретым моделям путем насыпания на их поверхность формовочной смеси, которая приобретает в процессе сушки большую прочность.

Развитие транспорта. Космонавтика. ХХ век, а особенно его вторую половину, невозможно себе представить без автомобиля. В послевоенной Европе, переживавшей серьезные экономические трудности, широкое распространение получили недорогие в производстве и эксплуатации малолитражные автомобили. Большой популярностью пользовались сконструированный еще до войны немецкий Volkswagen Beetle, а также французский Citroën 2CV, итальянский FIAT-26, британский Mini. Заметное влияние на автомобилестроение первых послевоенных лет оказали аэродинамические формы кузова советского ГАЗ М-20 «Победа».

Сильно влиял на серийное производство легковых автомобилей и автоспорт. Большой популярностью продолжали пользоваться гонки кузовных серий, известные еще с довоенных времен, различные раллийные соревнования. С 1950 г. стартуют соревнования «Формулы-1» – самых мощных и скоростных специально сконструированных автомобилей. Именно из автоспорта в серийное производство пришли турбонаддув двигателя, электронный впрыск топлива в цилиндры, вакуумные тормоза, гидроусилитель руля, независимая подвеска колес и многое другое.

С начала 1970-х гг. автомобильные грузоперевозки начинают составлять серьезную конкуренцию железнодорожному транспорту. Ведущие автомобилестроительные концерны начали поставлять на рынок грузовики с мощными, как правило, турбированными дизельными двигателями. Кроме того, был налажен массовый выпуск специализированных полуприцепов: фургонов, цистерн, рефрижераторов, а также карьерных самосвалов грузоподъемностью 50–70 тонн. Особенностью последних является то, что дизельный двигатель, как правило, работает на электромоторы, приводящие в движение каждое колесо.

В железнодорожных пассажирских перевозках последних десятилетий доминируют два направления: повышение комфортабельности, а также значительное увеличение скорости движения составов. В Японии, Европе и Америке находятся в эксплуатации поезда специальной постройки. Во Франции, например, используются поезда серии TGV. Они состоят из двух локомотивов с двигателями нового поколения и 8 вагонов, используют колесные каретки, установленные между вагонами, специфическую конструкцию колес и тормозов. На рельсах выставлены специальные датчики, которые передают собранную информацию на компьютер, установленный в поезде, который контролирует работу всей системы. Использование современной техники и новых технологий на железнодорожном транспорте дало возможность достичь рекордной скорости 574,8 км/ч.

Все эти нововведения поставили специфические задачи перед укладкой железнодорожного полотна, использованием новых технологий в его строительстве. В производстве шпал применяются особые сорта цемента и химические добавки, увеличивающие противодействие механическому, термическому и атмосферному воздействию. Аналогичные требования выдвигаются и к специальным сортам стали, из которой изготавливают рельсы.

Но наиболее заметное влияние научные достижения в различных областях знания и технические изобретения оказали на развитие авиации и создание космической промышленности.

В послевоенные годы при конструировании самолетов начали применять правило площадей Ричарда Уиткомба. Исследования этого американского ученого показали, что для уменьшения сопротивления конструкции при сверхзвуке фюзеляж самолета в месте соединения с крылом должен иметь уменьшенную площадь поперечного сечения. Это примерно на 60% уменьшает лобовое сопротивление. Эксперименты подтвердили эти расчеты.

Как показали исследования и практика, сверхзвуковые скорости – это сильный нагрев наружных поверхностей самолета. Для преодоления этого препятствия конструкторы пошли двумя путями: максимальные скорости включались на высотах свыше 10000 м, где воздух значительно разрежен; начали применять для изготовления планера самолета легкие сплавы на основе титана, которые обладают свойством сохранять прочность при температуре 600°С и выше. Кроме того, в последние десятилетия начали применять композитные материалы. Именно этот путь оказался наиболее перспективным.

1950-е гг. в развитии реактивной авиации стали переломными. И заслуга в этом принадлежит прежде всего создателям надежных турбореактивных двигателей, которые выпускались большими сериями. С их помощью авиация перешла в область сверхзвуковых скоростей. Величина мощности двигателя зависит от того, как полученная от сгорания топлива энергия преобразуется в энергию движения самолета. Так, в Англии для сверхзвуковых самолетов был создан двигатель Giron. Он имел диапазон силы тяги от 6800 кг до 8000 кг без превышения существующих пределов уровня температуры на входе в турбину.

Использование реактивных двигателей оказало заметное влияние на конструирование и постройку вертолетов. На Ми-8, созданном под руководством Михаила Миля, были установлены двигатели ТВ-3–117. Именно они сделали эту машину универсальной и дали возможность находиться в эксплуатации более 30 лет.

На разработанном в 1960-х гг. британском истребителе-бомбардировщике вертикального взлета и посадки Harrier GR.1 использовался уникальный турбореактивный двигатель Bristol Orpheus. Он создавал тягу в 3600 кг и направлял ее в 4 сопла во время старта.

Крыло как основной элемент конструкции самолета постоянно совершенствуется. На серийных истребителях (американском Lockheed F-104 Starfighter, советском МиГ-21, французском Mirage F-1) устанавливалось дельтовидное тонкого профиля крыло со стреловидностью около 60°. Это позволило машинам превышать скорость звука в 2–2,25 раза. Кроме того, в бомбардировочной, пассажирской и транспортной авиации применяются стреловидные крылья большого удлинения и площади: на американском стратегическом бомбардировщике В-52, что позволяет достигать 170-тонной машине скорости 1050 км/ч; на пассажирском Boeing-747, способном перевозить 400 пассажиров на большие расстояния; на транспортном Ан-225 «Мрія», созданном в Киеве в КБ им. О. Антонова, способном перевозить грузы весом 200 т, за что в 2001 г. он был занесен в книгу рекордов Гиннеса.

В последней четверти ХХ в. в авиации начали применять крылья с изменяемой стреловидностью, что позволило на треть увеличить радиус действия машин и на четверть уменьшить их посадочную скорость (американский бомбардировщик F-111 с двумя двигателями Pratt & Whitney TF30-P-1, советском многоцелевом Су-17). Ведь сам принцип управления самолетом базируется на отклонении определенных частей поверхности крыла и оперения.

Технологии Stealth (объект малозаметен для радаров) впервые был реализован в 1980-х гг. на американском истребителе-бомбардировщике Lockheed F-117А. Их составляющей, наряду с использованием новых материалов, было применение крыла большой стреловидности в передней части и отсутствие горизонтального оперения. Наклонные кили, выполняющие функции рулей направления и высоты, а также двигатели General Electric F-404, не имеющие форсажных камер и глубоко спрятанные в корневых частях крыла, также были составляющей «невидимости» самолета. Турбореактивный двигатель F-119 с поворотными соплами изменяемой тяги, установленный на истребителе нового поколения с изменяемой стреловидностью крыла, созданный по технологии Stealth – F-35В (2001 г.) также приводит в действие вспомогательный подъемный вентилятор, установленный за кабиной пилота. Это дает возможность машине взлетать и садиться практически вертикально на палубу авианосца.

Дальнейшим развитием авиации и ракетостроения стало создание космической техники. Для запуска искусственных спутников Земли были созданы многоступенчатые ракеты, мощные двигатели и разработаны оптимальные режимы движения. Выведение космического корабля на околоземную орбиту осуществляется при скорости около 8 тыс. м/сек. 4 октября 1957 г. был запущен первый искусственный спутник Земли. Его главным конструктором стал бывший студент КПИ, академик Сергей Королев. В январе следующего года на орбиту был запущен американский спутник Explorer-1. Так началась эпоха освоения космоса.

12 апреля 1961 г. советский космонавт Юрий Гагарин совершил первый в истории пилотируемый космический полет. 6 двигателей ракеты-носителя Р-7 общей мощностью 20 млн. л.с. вывели корабль «Восток» весом 4,725 т на околоземную орбиту. В 108-минутном полете была достигнута скорость 28 тыс. км/ч.

С 16 по 24 июля 1969 г. проходил полет американского космического корабля Apollo-11 к Луне. 21 июля командир экипажа Нил Армстронг и астронавт Эдвин Олдрин совершили выход из посадочного модуля на лунную поверхность в Море Спокойствия. Астронавты в месте посадки разместили комплект научных приборов и собрали 21,55 кг образцов лунного грунта. Все это время пилот командного модуля Майкл Коллинз ожидал их на окололунной орбите. В последующие десятилетия в освоение космоса включились многие страны. В частности, было создано Европейское космическое агентство (ЕSА).

В дальнейшем советская космическая программа была нацелена на создание орбитальных космических станций, первой из которых был «Салют», запущенный на орбиту в 1971 г. 20 февраля 1986 г. был выведен на орбиту базовый блок станции «Мир». Затем в течение 10 лет один за другим к ней были пристыкованы ещё шесть модулей. Станцию обслуживали корабли серии «Союз».

США, после окончания полетов Apollo, сосредоточили усилия на реализации программы «Космическая транспортная система». Корабли многоразового использования (Space Shuttle) разрабатывались компанией North American Rockwell по поручению NАSА (Национального аэрокосмического агентства), начиная с 1971 г. В 1981 г. совершил свой первый полет космический челнок Columbia.

На станцию «Мир» было осуществлено 9 кратковременных экспедиций посещения с помощью челноков Atlantis, Endeavour и Discovery. 23 марта 2001 г. проработавшая в три раза дольше первоначально запланированного срока станция «Мир» была затоплена в южной части Тихого океана. Всего на ней побывало 104 космонавта из 12 стран.

17 июня 1992 г. Россия и США заключили соглашение о сотрудничестве в исследовании космоса. В соответствии с ним Российское космическое агентство (РКА) и NASA разработали совместную программу «Мир – Шаттл», к реализации которой присоединились также Канада, Япония, страны, входящие в ЕSА, и Бразилия. 20 ноября 1998 г. был запущен первый элемент Международной космической станции (МКС) – функционально-грузовой блок «Заря», который был выведен на орбиту ракетой «Протон»-К. 7 декабря того же года шаттл Endeavour пристыковал к модулю «Заря» американский модуль Unity.

Полностью сооружение МКС на орбите было завершено в 2008 г. когда 11 февраля к ней был пристыкован модуль Columbus, созданный по заказу ЕSА. В 2008–2009 гг. начата эксплуатация новых транспортных кораблей: европейского ATV и японского HTV. В феврале 2010 г. Многосторонний совет по управлению МКС подтвердил, что не существует никаких известных на этом этапе технических ограничений на продолжение ее эксплуатации после 2015 г., а Администрация США предусмотрела дальнейшее использование МКС по меньшей мере до 2020 г.

Современную жизнь сложно представить без орбитальных научных лабораторий, спутников связи. Многие из этих аппаратов выводятся на околоземную орбиту украинской ракетой «Зенит». Это самая экологически чистая среди всех современных космических систем. Ее производят в Днепропетровске на производственном объединении «Южмаш».

Космическая астрономия начала развиваться во второй половине ХХ в. В 1962 г. Великобритания в рамках программы Ariel запустила на околоземную орбиту телескоп, предназначенный для изучения Солнца. В 1966 г. NASA отправила в космос орбитальную астрономическую обсерваторию (ОАО-1). С 1968 по 1972 г. на околоземной орбите проводила исследования ультрафиолетового излучения звезд и галактик ОАО-2.

Еще в 1968 г. в NASA был утвержден план строительства космического телескопа-рефлектора. Программа предполагала его обслуживание на околоземной орбите с помощью пилотируемых экспедиций на шаттлах. Было принято решение о кооперации с ЕSА, которое приняло участие в финансировании, предоставляло солнечные батареи и получило 15% времени для наблюдений. С 1978 г. начались полномасштабные работы по созданию телескопа, получившего имя Эдвина Хаббла.

В 1983 г. был создан Научный институт космического телескопа, который отвечал за организацию работ. Руководство проектом было возложено на Центр космических полетов Годдарда. Техническое сопровождение осуществлялось NASA.

29 апреля 1990 г. шаттл Discovery STS-31 стартовал в космос, а на следующий день вывел телескоп Habble на расчетную орбиту: апогей – 566 км; перигей – 561 км. Длина космического аппарата – 13,3 м, масса – 12,5 т. На момент запуска на его борту было установлено 5 научных приборов: широкоугольная планетарная камера (WFPC), спектрограф высокой раздельной способности Годдарда (GHRS), спектрограф темных объектов (FOS), камера съемки темных объектов (FOC), высокоскоростной фотометр (HSP).

Обслуживание Hubble осуществлялось во время выходов в открытый космос с шаттлов. Всего было осуществлено 4 экспедиции (5 полетов челноков) по обслуживанию телескопа. 1 марта 2005 г. произошла катастрофа Columbia, и старты челноков были отложены. Руководство NASA приняло решение, что каждый шаттл должен иметь возможность при обнаружении неисправности состыковаться с МКС. Но из-за большой разности в наклоне и высоте орбит челнок после посещения телескопа не мог пристыковаться к станции. Только после сложных переговоров между всеми заинтересованными организациями новое руководство NASA официально объявило о подготовке последней экспедиции по ремонту и модернизации Hubble.

11 мая 2009 г. с космодрома на мысе Канаверал стартовал шаттл Atlantis STS-125 с семью астронавтами. Рядом на стартовой позиции находился как спасательный корабль Discovery. Во время 5 выходов в открытый космос астронавты отремонтировали основную камеру и заменили две другие, установили на телескоп новое стыковочное устройство и оснастили Hubble ультрафиолетовым спектрографом. После проведенных четвертой экспедицией работ срок службы телескопа увеличился на 10 лет. В это же время начались работы по созданию нового космического телескопа James Webb.

При помощи Hubble было исследовано более 22 тыс. небесных объектов – звезд, туманностей, галактик, планет. Объем данных, которыми ежедневно оперирует телескоп, превышает 15 Гб. Более 4 тыс. астрономов из разных стран получили возможность использовать его для наблюдений. В 1994 г. Hubble зафиксировал столкновение кометы Шумейкера-Леви 9 с Юпитером, впервые астрономам удалось получить карты Плутона и Эриды, наблюдать ультрафиолетовые полярные сияния на Сатурне, Юпитере и Ганимеде. Были получены спектрометрические данные о планетах, находящихся вне Солнечной системы, обнаружены протопланетные диски вокруг звезд в Туманности Ориона. Кроме того, было доказано, что процесс формирования планет в большинстве звезд Млечного Пути продолжается, частично подтверждена теория о сверхмассивных черных дырах в центрах галактик, на основе наблюдений была предложена гипотеза, которая связывает массу черных дыр со свойствами галактик.

По итогам наблюдения квазаров была создана современная космологическая модель: Вселенная расширяется с ускорением и заполнена темной энергией. Был уточнен ее возраст – 13,7 млрд. лет. Были обнаружены эквиваленты гамма-вспышек в оптическом диапазоне, открыто более 1500 новых галактик, а также получены изображения протогалактик, первых сгустков материи, которые сформировались менее миллиарда лет после Большого взрыва.

Программа «Космическая транспортная система» была завершена. 8 июля 2011 г. Atlantis STS-135 доставил на МКС научное оборудование. Это был последний полет челнока. Он завершился 21 июля 2011 г. За 30 лет эксплуатации 5 шаттлов совершили 135 полетов. На них в космос было выведено 355 астронавтов и космонавтов и 1,6 тыс. тонн полезных грузов.

Электроника, связь, компьютерные системы. Во второй половине ХХ в. в развитии радиотехники доминирующей стала радиоэлектроника. Ее приборы незаменимы при решении многих научно-технических проблем. Так, из-за электропроводности воды, которая не позволяет пропускать электромагнитные волны, радиолокация, пеленгация и связь в этой среде возможны только с использованием ультразвука – механических колебаний, распространяемых в упругой среде с частотой более 20 кГц. Гидроакустика получила большое развитие как область военной и навигационной техники, в частности, для создания гидролокаторов.

Радиолокационные приборы в технике ультразвука используются для выработки высокочастотной энергии для возбуждения механических колебаний в ультразвуковых источниках излучения. В промышленности и науке ультразвук применяется для выявления дефектов в изделиях, для изучения внутреннего строения различных материалов. В частности, ультразвуковая дефектоскопия использует явление отражения звука от поверхности раздела двух сред. В промышленности применяется ультразвуковая пайка алюминия и его сплавов, ультразвуковая очистка и шлифовка деталей в растворителе или жидкости, ультразвуковая резка и сверление металла, а также заточка резцов из сверхтвердых сплавов.

Развитие радиолокации заложило фундамент созданию новой науки – радиоастрономии. Начались исследования радиоизлучения планет Солнечной системы и других космических объектов с помощью радиотелескопов с диаметром зеркал до 75 м, позволяющих принимать электромагнитные волны из космоса на расстоянии приблизительно 30 млрд. световых лет. Американские ученые разработали радиотелескоп со сферическим зеркалом диаметром 300 м, который способен обнаруживать предметы в 1 м сечения на расстоянии до 25 тыс. км. В 1961 г. его строительство было завершено в Пуэрто-Рико.

Еще в начале 1950 г. в США началась регулярная трансляция цветных телепрограмм с использованием принципа последовательной передачи цветных изображений с большой скоростью, разложением цветов на три основные составляющие и воспроизведением их при приеме с помощью дискового трехцветного светофильтра. В это же время в Америке телевизионные трансляции установленных 12 каналов (частот) с использованием системы радиорелейных линий начали транслироваться от Атлантического до Тихого океана.

В телевидении начали применяться фотоэлектронные умножители (фотоэлементы), в которых используется явление вторичной электронной эмиссии. Было установлено, что рубидий и цезий обладают самым большим фотоэффектом. В фотографии, сигнализации, звуковом кино нашли применение селеновые и сурьмяно-цезиевые элементы. Термоэлектронная эмиссия используется, например, в электронном микроскопе, дающем увеличение в 150 тыс. раз и более (ионный эмиссионный микроскоп).

Использование фотоэлементов открыло путь к применению полупроводников – элементам, содержащим слабосвязанные электроны, занимающие промежуточное положение между металлами и диэлектриками. К полупроводникам относятся германий, графит, бор, кремний, цезий, рубидий, кадмий, окислы и сульфиды. а также большинство минералов. Применение полупроводников в различных комбинациях способствует преобразованию, усилению и генерации токов. Сущность процессов, происходящих в полупроводниках, заключается в том, что при более высоких температурах вещество, являющееся изолятором, становится полупроводником, поскольку в полупроводниках, в отличие от металлов, свободных электронов гораздо меньше. В технике используется свойство полупроводника превращать световую энергию в электрическую.

Полнее всего новые открытия в области электроники нашли применение при создании компьютерной техники. В ноябре 1950 г. под руководством доктора физико-математических наук Сергея Лебедева в Киеве в Институте электротехники АН УССР была создана «Малая электронная счетная машина» (МЭСМ). Она содержала около 6000 электровакуумных ламп и потребляла 15 кВт. Машина могла выполнять около 3000 операций в секунду.

Компьютер британской компании Lyons & Company LEO I начал работать в 1951 г. и впервые в мире стал регулярно использоваться для офисной работы. В июне 1951 г. компания Remington Rand установила в Бюро переписи населения США компьютер UNIVAC 1. В нем использовался ввод с металлизированной магнитной ленты. В 1954 г. компания IBM выпустила на рынок модель 650 стоимостью 500 тыс. долларов. Всего было реализовано более 2000 этих компьютеров. Память на магнитном барабане хранила 2000 10-знаковых слов. Позже она была увеличена до 4000 слов. Использовался компилятор Symbolic Optimal Assembly Program (SOAP), который размещал инструкции по оптимальным адресам.

В 1955 г. Морис Уилкс изобрел микропрограммирование – принцип, который позднее начал широко использоваться в микропроцессорах самых различных компьютеров. Микропрограммирование позволяет определять или расширять базовый набор команд с помощью встроенных программ. В 1956 г. IBM впервые продала устройство для хранения информации на магнитных дисках – RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Оно использовало 50 металлических дисков диаметром 24 дюйма, по 100 дорожек с каждой стороны. хранило до 5 МБ данных.

Компьютеры на транзисторах, заменивших энергоемкие лампы – это второе поколение компьютерной техники, которое доминировало в начале 1960-х гг. Хотя они значительно уменьшились в размерах, но по-прежнему были довольно дороги и поэтому использовались только университетами, правительствами, крупными корпорациями. Эти машины состояли из большого количества печатных плат, каждая из которых содержала от одного до четырех логических вентилей или триггеров.

В период с 1960 по 1964 г. IBM выпустила более 100 тыс. компьютеров среднего класса модели 1401. В ней использовалась память на 4000 символов (позже увеличенная до 16000). Параллельно компания поставляла на рынок мейнфрейм IBM 7090 и транзисторную модель IBM 1620, изначально только перфоленточную, но вскоре обновленную до перфокарт. Она стала популярна в качестве научного компьютера.

Первыми советскими серийными полупроводниковыми электронно-вычислительными машинами (ЭВМ) были «Весна» и «Снег», выпускавшиеся с 1964 по 1972 г. Но лучшей ЭВМ второго поколения была БЭСМ-6, созданная в 1966 г. На тот момент она была самой быстрой в Европе. В ее архитектуре впервые был использован принцип совмещения выполнения команд. Механизмы прерывания, защиты памяти и другие новаторские решения позволили использовать БЭСМ-6 в мультипрограммном режиме и режиме разделения времени. Она работала с тактовой частотой 10 МГц и рекордной для того времени производительностью — около 1 млн. операций в секунду.

Быстрый рост использования компьютеров начался с третьего поколения вычислительной техники, связанного с применением интегральных схем. В 1969 г. сотрудник компании Intel Тэд Хофф предложил создать центральный процессор на одном кристалле. То есть вместо множества интегральных микросхем создать одну главную. Такое устройство получило название – микропроцессор.

В 1971 г. компания Intel выпустила на рынок первый микропроцессор Intel 4004. Появление микропроцессоров позволило создать микрокомпьютеры – небольшие недорогие машины. Реализация этой идеи положила начало созданию компьютеров четвертого поколения. В 1980-х гг. микрокомпьютеры стали повсеместным явлением.

Первый массовый домашний компьютер разработал Стив Возняк – один из совладельцев компании Apple Computer. Компания DEC также вышла на рынок с 64-разрядным Alpha. Но уже в 1993 г. начинается новый этап в производстве компьютерной техники: Apple предложила портативный персональный компьютер (ПК) – Newton.

В 1994 г. IBM и Motorola совместно создали микропроцессор Power PC, который в течение нескольких лет превосходил по скорости платы Intel. Дальнейшие работы над дизайном компьютеров привели к тому, что в 1998 г. фирменным знаком Apple становится iMac, разработанный Стивом Джобсом и Джонни Айвом. Через 2 года на рынке появился Power Mac G 4 Cube, один экземпляр которого из-за оригинального дизайна представлен в Нью-Йоркском музее современного искусства.

Цифровые технологии (Digital technology) основаны на представлении сигналов дискретными импульсами аналоговых уровней, а не в виде непрерывного спектра. Сигналы имеют небольшой набор значений, как правило, два, но учетные системы хранения данных работают на основе трех. Обычно это 0, 1, NULL которые имеют значения «ложь», «истина» и в присутствии NULL «отсутствие результата». Цифровые технологии используются в компьютерах; различных областях электротехники.

Идея сотовой телефонной связи появилась еще в 1940-х гг. в Bell Labs, которая принадлежала компании AT & T. Следующие 15 лет продолжались работы, направленные на поиск оптимальных технических решений. Советский инженер Леонид Куприянов в 1961 г. создал мобильный телефон весом 70 г, который был дальнейшей разработкой его экспериментальной модели ЛК-1. Через 5 лет на выставке «Интероргтехника-66» болгарские инженеры показали мобильные телефоны РАТ-0,5 и АТРТ-0,5, а также базовую станцию РАТЦ-10 на 6 абонентов.

В 1967 г. коллектив одного из отделов компании Motorola под руководством Мартина Купера создал портативные рации для полиции Чикаго. Накопленный опыт позволил компании в 1973 г. выпустить первый сотовый телефон Motorola DynaTAC весом 1,15 кг с 12 клавишами без дисплея, смонтировать в Нью-Йорке на 50-этажном Alliance Capital Building базовую станцию на 30 абонентов и соединить их с наземными линиями связи. Но лишь спустя десятилетие на рынке появился первый коммерческий сотовый телефон – DynaTAC 8000Х.

Жизнь в XXI веке невозможно представить как без современных компьютеров, так и без мобильной связи. Только в одном 2000 г. появились первый сотовый телефон с поддержкой технологии Internet Times (Swatch) – Ericsson T20; телефон с GPS-приемником – Benefon ESC; сотовый телефон с полифонией (Sony IS); первый телефон с МР3-плеером и поддержкой карт памяти Multi Media Card Siemens SL45; Sharp вместе с J-Phone выпустила телефон со встроенной камерой (Sharp J-SH04).

К 2005 г. популярность iPad значительно возросла. В том году было продано 20 млн. устройств, а кроме того еще и 825 млн. мобильных телефонов. В то время в Apple работали над созданием планшетного компьютера. Экран должен был иметь функцию «мультитач» – способность обрабатывать несколько сигналов одновременно («мультисенсорный экран»). До конца года идея нашла окончательное техническое воплощение в инерционной продукции, которая позволяла двигать картинку, проводя пальцами по экрану.

До 2011 г. в цифровом мире определились два принципиальных подхода к интегрированным системам: открытый и закрытый. Так, спроектированный Возняком Apple II легко открывался, имел доступ с минимальным централизованным контролем, возможности свободно модифицировать программное и аппаратное обеспечение, делиться кодами, подавать информацию для открытых стандартов, работать с контентом и приложениями, которые были совместимы со многими приборами и операционными системами. Он давал возможность пользователям свободно оперировать большим количеством порталов.

Macintosh Джобса – это программно-аппаратный комплекс, в котором оба аспекта взаимосвязаны и не подлежат модификации. Поэтому операционная система Macintosh недоступна для постороннего аппаратного обеспечения.

Современная компьютерная техника заняла доминирующее положение во многих областях науки, техники, искусства, медицины, спорта. На ее основе создаются автоматизированные системы управления, исследовательские и производственные комплексы, в том числе и Интернет.

Агентство по перспективным оборонным научным исследованиям США (DARPA) в 1957 г. предложило разработать систему передачи информации Калифорнийскому университету в Лос-Анжелесе, Стэнфордскому исследовательскому центру, Университету Юты и Университету штата Калифорния в Санта-Барбаре. Компьютерная сеть получила название ARPANET (Advanced Research Projects Agency Network), и в 1969 г. эти четыре научных центра были объединены в рамках проекта. В том же году в Калифорнийском университете был установлен первый сервер ARPANET (компьютер Honeywell DP-516) и проведен сеанс связи со Стэнфордским исследовательским институтом на расстоянии 640 км.

До 1971 г. была разработана первая программа для отправки электронной почты. Через два года к сети были подключены с помощью трансатлантического телефонного кабеля организации из Великобритании и Норвегии. В то время начинается развитие протоколов передачи информации.

С января 1983 г. ARPANET перешла с протокола NCP на TCP/IP и за ней закрепился термин «Интернет». В следующем году была разработана система доменных имен – Domain Name System (DNS), а Национальный научный фонд США (NSF) создал межуниверситетскую сеть NSFNet. За год к ней подключились около 10 тыс. компьютеров и название «Интернет» закрепилось за NSFNet. В 1988 г. был разработан протокол Internet Relay Chat (IRC), благодаря чему в Интернете стало возможным общение в реальном времени (чат).

Известный британский ученый Тим Бернерс-Ли в 1989 г. предложил концепцию Всемирной паутины, а в течение следующих двух лет разработал протокол HTTP, язык HTML и идентификаторы URL. С 1991 г. Всемирная паутина получила доступ в Интернет, а через два года появился веб-браузер NCSA Mosaic. Именно сочетание веб-протокола, который обеспечивал коммуникации, и браузера, который предоставлял интерфейс, сделало Веб достаточно известным. В 1995 г. был создан Консорциум Всемирной паутины и со следующего года понятие «Интернет» постепенно перешло к паутине. В это время Интернет уже насчитывал около 10 млн. компьютеров и было зарегистрировано более 1 млн. доменных имен.

Сегодня к Интернету можно подключиться через спутники связи, кабельное телевидение, радиоканалы, телефон, сотовую связь. С 22 января 2010 г. прямой доступ в Интернет получил экипаж МКС.

Развитие современных информационных технологий на рубеже ХХ–ХХI вв. изменили как характер производственных процессов практически во всех отраслях промышленности, так и направления научных исследований. Получение исходных материалов с заранее заданными свойствами, моделирование хода производственного процесса, контроль качества готовой продукции – далеко не полный перечень изменений, пришедших в промышленное производство с новыми технологиями.

Но еще глубже характер изменений проявился в исследовательской деятельности, во всех без исключения направлениях научных работ и конструировании как отдельных приборов и аппаратов, так и целых систем. Благодаря современным технологиям наука стала неотъемлемой частью производственного процесса. Темпы реализации исследований и внедрения новых технологий постоянно возрастают.

Вопросы для самоконтроля

1. С чем, по Вашему мнению, было связано ускоренное развитие атомной электроэнергетики в 50–60-е гг. ХХ в.?

2. В каких отраслях промышленности применяются тугоплавкие металлы?

3. Назовите основные события в развитии космонавтики.

4. С какими техническими изобретениями связан переход к третьему поколению компьютерной техники?

5. Какие преимущества имеют цифровые технологии перед аналоговыми системами?

Основные понятия

Освоение космоса – открытие и разведка космического пространства с помощью космической техники.

Компьютерные технологии (информационные технологии) – обобщенное название технологий, отвечающих за хранение, передачу, обработку, защиту и воспроизведение информации с использованием компьютеров.

Интересные факты