Задача состоит в том, что требуется выбрать такое управление и из класса возможных управлений, при котором система обладает асимптотической устойчивостью. Из анализа фазовых портретов системы следует, что ни положительная, ни отрицательная обратная связь порознь не решает поставленной задачи. Поэтому в соответствии с методами СПС реализуют следующее правило изменения структур:
(2)
, c = const, 0 < c < .
Фазовый портрет такой системы изображен на рис. 2 , б; из анализа портрета следует, что изображающая точка из произвольного начального положения попадает на прямую s = 0, проходящую через начало координат, в окрестности которой фазовые траектории направлены навстречу друг другу и, следовательно, изображающая точка не может покинуть эту прямую. Траектория s = 0 не принадлежит ни одной из структур (I или II), поэтому, согласно (2), за счёт переключения управления и в системе происходит смена структур теоретически с бесконечной частотой. Такой режим движения называется скользящим, а за уравнение движения принимается уравнение прямой s = 0:
, c > 0. (3)
Все решения уравнения (3) стремятся к нулю при t ® ¥, т. е. поставленная задача решена. Существенно, что движение системы в скользящем режиме не зависит от характеристик объекта управления и коэффициент обратной связи, качество переходного процесса определяется только выбором параметра с.
Рассмотренный пример показывает, что посредством сочетания неприемлемых порознь структур и за счёт использования скользящих режимов можно синтезировать СПС, обладающие рядом положительных свойств, в частности апериодической устойчивостью и параметрической инвариантностью . С помощью СПС решается широкий круг задач теории управления, например задачи высококачественного воспроизведения задающего воздействия при инвариантности к параметрическим и внешним возмущениям, многосвязного регулирования, оптимизации и др.
Лит.: Емельянов С. В., Системы автоматического управления с переменной структурой, М., 1967; Системы с переменной структурой и их применение в задачах автоматизации полёта, М., 1968; Теория систем с переменной структурой, М., 1970; Уткин В. И., Скользящие режимы и их применения в системах с переменной структурой, М., 1974.
Б. З. Голембо, С. К. Коровин.
Рис. 1. Функциональная схема системы управления с переменной структурой: УУ — устройство управления; СУ — сравнивающее устройство; КЭ — ключевой элемент; БИС — блок изменения структуры; ∑ — сумматор; Уa — усилитель с коэффициентом передачи a; Уb — усилитель с коэффициентом передачи b; ИУ — интегрирующие устройства; g(t) — задающее воздействие; u(t) — управляющее воздействие; x(t) — управляемая величина.
Рис. 2. Фазовые портреты систем автоматического управления: а — с положительной обратной связью (структура I); б — с отрицательной обратной связью (структура II); в — с переменной структурой; I — область движения системы со структурой I; II — область движения системы со структурой II; 0 — начало координат; x — управляемая величина; t — время.
Управления уровни
Управле'ния у'ровни, относительные градации совокупностей элементов управления сложной системы , сгруппированных и выделенных в соответствии с иерархическим принципом . Элементы управления разных уровней взаимосвязаны и имеют чёткое подчинение. В иерархических системах управления каждое подразделение (подсистема) решает задачи только своего уровня; исходная информация для принятия решения и выработки управляющих воздействий передаётся снизу вверх, а управляющая информация (воздействия) – сверху вниз. Например, в цифровой вычислительной машине (ЦВМ) работу отдельных устройств (запоминающего устройства , печатающего устройства и др.) координирует (в соответствии с заданной программой вычислений) центральное управляющее устройство , одним из элементов которого является пульт управления ЦВМ (высший У. у.). Местные устройства управления (низший У. у.) по командам центрального устройства управления вырабатывают (в соответствии с собственным алгоритмом функционирования) сигналы на выполнение отдельных операций, которые в совокупности представляют собой вычислительный процесс. В автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТП) автоматические регуляторы , управляющие работой исполнительных механизмов и рабочих машин, и измерительные преобразователи (датчики), осуществляющие контроль за ходом технологического процесса, составляют низший У. у. Контрольно-измерительная информация с датчиков поступает на пульт управления диспетчера или в управляющую ЭВМ (высший уровень), которые оценивают правильность выполнения рабочих операций и вырабатывают команды, поступающие на элементы низшего У. у. (см. Управление в технике). В более сложных системах, например в автоматизированных системах управления отраслью (ОАСУ) и предприятием (АСУП), в единых энергосистемах выделяют 3 и более У. у.
Разделение функции управления по У. у. в сложных системах позволяет ограничить круг задач, решаемых каждым подразделением, упорядочить распределение информации между элементами управления, упростить отчётность и сократить число разновидностей документации, улучшить качество принимаемых решений.
Лит. см. при ст. Сложная система .
Управленческой революции теория
Управле'нческой револю'ции тео'рия, теория «революции управляющих», одна из технократических теорий современной буржуазной социально-экономической мысли, выдвигающая тезис о якобы произошедшем устранении власти капиталистов-собственников над корпорациями и банками и переходе её в руки специалистов-управляющих, технократов и бюрократов. Использует для обоснования этого тезиса переход к акционерной форме предприятий и новую роль управленческих и инженерно-организационных наук в капиталистическом производстве. Является составной частью «народного капитализма» теории . Ряд её положений сформулирован в 30-е гг. 20 в. в работах Г. Минса и А. Берли (США) в виде теорий корпоративной революции и контроля менеджеров . Сформировалась как концепция в 40-е гг. в работах амер. экономистов Дж. Бёрнхема (теория новой собственности и нового господствующего класса) и П. Друкера (теория нового общества, теория функций управления). В конце 60–70-х гг. пропагандируется Дж. Голбрейтом (теория техноструктуры, теория новой корпорации). Использована в работах Л. Блюма (Франция), Дж. Стрейчи (Великобритания), К. Реннера (Австрия), югосл. ревизиониста М. Джиласа и др. для затушевывания коренного различия между капитализмом и социализмом.
В 3-м томе «Капитала» К. Маркс показал, что в акционерных обществах происходит не только отделение ведущего производство «функционирующего капиталиста» (собственника лишь части капитала) от остальных капиталистов-собственников, ссужающих свой капитал, но и отделение наёмных служащих, управляющих производством (но не владеющих «... капиталом ни под каким титулом...»), от функционирующих капиталистов (см. К. Маркс и Ф. Энгельс, Соч., 2 изд., т. 25, ч. 1, с. 427). Он отметил двойственный характер этого «... многочисленного класса промышленных и торговых управляющих...», которые, с одной стороны, непосредственно эксплуатировали рабочих (функция надзора) и, с другой стороны, трудились сами (функция инженерно-техничского комбинирования и кооперирования труда) и получали зарплату за продажу своей «... особо обученной рабочей силы» (там же, с. 428, см. также с. 425–26). Уже в 19 в. это породило используемые современной У. р. т. процессы абсолютного в пределах известных границ распоряжения чужим капиталом и чужой собственностью, частного производства без контроля частной собственности, упразднения капитала как частной собственности в рамках самого капиталистического способа производства (см. там же, с. 479, 482).
Исследованные К. Марксом процессы резкого повышения значения управления и акционерной собственности получили особое развитие в 20 в. Однако сторонники У. р. т., подробно излагая именно эти явления, рассматривают их как якобы кардинально меняющие саму сущность экономического, социального и политического строя капиталистического общества. У. р. т. затушёвывает тот факт, что возникновение в 20 в. многочисленного и влиятельного слоя высшего управленческого персонала было оборотной стороной процесса развития монополий капиталистических и распространения в начале 20 в. контроля финансового капитала над сотнями тысяч предприятий, банков и контор, превратившего прежних их собственников в рядовых акционеров, отстранённых от управления. Административная власть верхушки управляющих внутри этих предприятий и банков стала не препятствием, а организационной основой для контроля крупнейших собственников капитала над всей экономикой, причём «элита управляющих» вошла влиятельной составной частью в финансовую олигархию , получая невиданно высокие доходы.
Становление массового поточно-конвейерного производства (в США – в 1914–50, в Зап. Европе и Японии – в 1950–70), во многом связанного с развитием и превращением в непосредственную производительную силу ряда управленческих и инженерно-организационных наук (операционный анализ, теория принятия решений, контроль качества, управление запасами, эргономика, инженерная физиология и т.д.), ещё более укрепило положение управляющих, наладивших систему эксплуатации сложной рабочей силы. Вместе с тем У. р. т. маскирует процесс классовой поляризации среди численно выросшего в результате научно-технической революции инженерно-управленческого состава. Параллельно с обуржуазиванием его верхнего и среднего слоев резко усилилась пролетаризация основной массы промышленных инженеров, осуществляющих преимущественно функцию научно-технического налаживания и поддержания производственных процессов, управления техникой, обучения и переобучения рабочих на производстве и т.д. Этот массовый слой наёмных работников стал объектом эксплуатации со стороны капитала и втягивается в пролетарские формы классовой борьбы, опровергая положение о новом господствующем классе, выдвинутое создателями У. р. т. Вновь проявилось первенствующее положение крупных собственников акционерного капитала по отношению даже к высшим управляющим корпораций. Относительное совпадение в 50–60-х гг. главных критериев успешного управления, выражающегося в устойчивом росте масштабов производства, его эффективности и прибыльности, и успешного накопления капитала-собственности, оцениваемого по проценту прироста курса акций, ослабляло вмешательство акционеров в вопросы управления. В 70-е гг. расширение производства происходило в условиях падения курса акций, и их собственники, представителями которых становятся различные банки, фирмы и фонды, через менеджеров этих организаций начали выражать недовольство деятельностью управляющих, производить персональные изменения в высшем управленческом составе и диктовать решения многих узловых управленческих проблем. Капиталистическая собственность (и власть капиталистов-собственников) не исчезла, как это утверждают сторонники У. р. т. В форме гигантских акционерных компаний она приспосабливается к новым условиям производства, став коллективной и анонимной капиталистической собственностью.
Лит.: Ирибаджаков Н., Современные критики марксизма, М., 1962; Гвишиани Д. М., Социология бизнеса, М., 1962; его же, Организация и управление, 2 изд., М., 1972; Меньшиков С. М., Миллионеры и менеджеры, М., 1965; Гэлбрейт Дж,, Новое индустриальное общество, пер. с англ., М., 1969: Курс для высшего управленческого персонала, сокр. пер. с англ., М., 1970; Беглов И. И., США: собственность и власть. М., 1971; В erie A. A.. Means С. С., The modern corporation and private property, N. Y., 1932; Burnham J., The managerial revolution, N. Y., 1941; Drticker P. F., Concept of the corporation, N. Y., 1946; его же, Technology, management and society, N. Y., 1970; его же, The new markets, and other essays, N. Y., 1971: Renner K., Die neue Welt und der Sozialismus, Salzburg, 1946.
Ю. Л. Васильчук.
Управляемость
Управля'емость судна, способность судна двигаться по заданной траектории; одно из мореходных качеств судна. В У. различают устойчивость на курсе – возможность судна следовать прямолинейно, и поворотливость – способность изменять направление движения под воздействием органов управления (обычно руля , иногда поворотной насадки гребного винта, крыльчатого движителя). На отклоненном от прямого положения руле возникает поперечная сила, поворачивающая судно и смещающая его вбок; при этом судно движется по криволинейной траектории, кривизной которой оценивают его поворотливость (см. Циркуляция судна ). У. зависит от формы и размеров руля и формы подводной части корпуса судна. Для улучшения У. при малых скоростях иногда применяют подруливающее устройство, активный руль (руль с гребным винтом) и т.д.
Управляемый разрядник
Управля'емый разря'дник, ионный прибор с холодными электродами, в котором электрический разряд между основными электродами возбуждается под действием импульса напряжения, приложенного к управляющему (поджигающему) электроду. Различают У. р. с тремя электродами (тригатроны , или тригитроны) и с четырьмя (крайтроны). В тригатронах управляющий электрод расположен между основными или в полости одного из них. В крайтронах четвёртый электрод используют для получения т. н. подготовительного разряда (пропускается ток в несколько десятков мка от высоковольтного источника постоянного тока через ограничительный резистор), стабилизирующего время запаздывания основного разряда по отношению к моменту подачи поджигающего импульса. Электроды У. р. изготовляют из тугоплавких металлов и их сплавов и заключают в стеклянный, металлостеклянный или металлокерамический корпус (рис. 1 ), заполняемый газом под давлением 10–103 кн/м 2 . В У. р., называемых вакуумными искровыми реле (ВИР), или с прайтронами, внутреннее пространство разрядника откачивают до высокого вакуума; искровой разряд, возникающий первоначально в вакууме, поддерживается затем в парах металлов, из которых сделаны электроды (см. также Искровой разрядник ).
У. р. применяют в импульсной технике (в качестве быстродействующих коммутаторов, или переключателей), а также в устройствах защиты электрических цепей и оборудования от перенапряжений и токовых перегрузок. Посредством У. р. можно коммутировать ток от десятков а до десятков ка при напряжении от сотен в до сотен кв и длительности импульсов от десятых долей мксек до нескольких мсек. Их долговечность составляет до 103 пробоев при токе несколько десятков ка и до 107 при токе несколько ка. Обычно У. р. работают в режиме одиночных импульсов или импульсов с частотой следования до нескольких десятков гц. Для повышения частоты следования импульсов до нескольких кгц при напряжении несколько кв применяют многокамерную конструкцию У. р. (рис. 2 ).
От др. коммутирующих приборов аналогичного назначения (например, импульсных тиратронов ) У. р. отличаются отсутствием накала, мгновенной готовностью к работе, устойчивостью к перегрузкам, малыми габаритами и массой, простотой конструкции.
В. В. Никитин, Л. М. Тихомиров.
Рис. 1. Управляемые разрядники в стеклянном (а), металлостеклянном (б) и металлокерамическом (в) корпусе.
Рис. 2. Многокамерный управляемый разрядник.
Управляемый случайный процесс
Управля'емый случа'йный проце'сс, случайный процесс, вероятностные характеристики которого можно изменять с помощью управляющих воздействий. Основная цель теории У. с. п. – отыскание оптимальных (или близких к ним) управлений, доставляющих экстремум заданному критерию качества. В простейшем случае управляемых марковских цепей одна из математических постановок задачи нахождения оптимального управления формулируется следующим образом. Пусть X d = (x n , ), n = 0, 1,..., – семейство однородных марковских цепей с конечным числом состояний Е = {0, 1, ..., N} и матрицами переходных вероятностей P xy (d ) = {x 1 = у }, зависящих от параметра d, принадлежащего некоторому множеству управляющих воздействий D. Набор функций a = {а 0 (x 0 ), a 1 (x 0 , x 1 ),... } со значениями в D называют стратегией, а каждую из функций a n = а п (х 0 ,..., х п ) – управлением в момент времени n. Каждой стратегии a отвечает управляемая марковская цепь X a = (х п , ), n = 0, 1,..., где
(x 0 , x 1 ..., х п ) = d(х 0 , х ) Рх 0 х 1 (a 0 (x 0 ))... Px n-1 x n (a n-1 (x 0 , x 1 ,..., x n-1 ))
Пусть:
где функция f (d, х ) ³ 0 и f (d, 0) = 0 (если точка {0} является поглощающим состоянием и f (d, x ) = I, d Î D, x = 1,..., N, то V a (x ) есть матем. ожидание времени попадания из точки х в точку 0). Функцию
называется ценой, а стратегию а * – оптимальной, если = V (x ) для всех х Î Е.
При довольно общих предположениях о множестве D устанавливается, что цена V (x ) удовлетворяет следующему уравнению оптимальности (уравнению Беллмана):
,
где
.
В классе всех стратегий наибольший интерес представляют т. н. однородные марковские стратегии, характеризуемые одной функцией а (х ) такой, что a n (x 0 ,..., x n ) = a (x n ) при всех n = 0, 1,...
Следовательно, критерий оптимальности (или достаточное условие оптимальности) может быть использован для проверки того, что данная однородная марковская стратегия является оптимальной: пусть существуют функции a * = а* (х ) и V* = V* (x ) такие, что для любого d Î D
0 = f (x, a* (x )) + L a *V* £ f (x, d ) + L d V* (x )
(L d = T d – I, I – единичный оператор), тогда V * является ценой (V * = V ) и стратегия a* = a*(х ) является оптимальной.
Лит.: Ховард Р.-А., Динамическое программирование и марковские процессы, пер. с англ., М. 1964.
А. Н. Ширяев.
Управляемый термоядерный синтез
Управля'емый термоя'дерный си'нтез, процесс слияния лёгких атомных ядер, происходящий с выделением энергии при высоких температурах в регулируемых, управляемых условиях. Скорости протекания термоядерных реакций малы из-за кулоновского отталкивания (см. Кулона закон ) положительно заряженных ядер. Поэтому процесс синтеза идёт с заметной интенсивностью только между лёгкими ядрами, обладающими малым положительным зарядом и только при высоких температурах, когда кинетическая энергия сталкивающихся ядер оказывается достаточной для преодоления кулоновского потенциального барьера . В природных условиях термоядерные реакции между ядрами водорода (протонами) протекают в недрах звёзд, в частности во внутренних областях Солнца, и служат тем постоянным источником энергии, который определяет их излучение. Сгорание водорода в звёздах идёт с малой скоростью, но гигантские размеры и плотности звёзд обеспечивают непрерывное испускание огромных потоков энергии в течение миллиардов лет (подробнее см. Термоядерные реакции ). С несравненно большей скоростью идут реакции между тяжёлыми изотопами водорода (дейтерием 2 H и тритием 3 H) с образованием сильно связанных ядер гелия:
.
Именно названные реакции представляют наибольший интерес для проблемы У. т. с. В особенности привлекательна вторая реакция, сопровождающаяся большим энерговыделением и протекающая со значительной скоростью. Тритий радиоактивен (период полураспада 12,5 лет) и не встречается в природе. Следовательно, для обеспечения работы предполагаемого термоядерного реактора, использующего в качестве ядерного горючего тритий, должна быть предусмотрена возможность воспроизводства трития. С этой целью рабочая зона рассматриваемой системы может быть окружена слоем лёгкого изотопа лития, в котором будет идти процесс воспроизводства
6 Li + n ® 3 H + 4 He.
Вероятность (эффективное поперечное сечение ) термоядерных реакций быстро возрастает с температурой, но даже в оптимальных условиях остаётся несравненно меньше эффективного сечения столкновений атомных . По этой причине реакции синтеза должны происходить в полностью ионизованной плазме , нагретой до высокой температуры, где процессы ионизации и возбуждения атомов отсутствуют и дейтон-дейтонные или дейтон-тритонные столкновения рано или поздно завершаются ядерным синтезом.
Удельная мощность термоядерного реактора находится путём умножения числа ядерных реакций, происходящих ежесекундно в единице объёма рабочей зоны реактора, на энергию, выделяющуюся при каждом акте реакции.
Критерий Лоусона. Применение законов сохранения энергии и числа частиц позволяет выяснить некоторые предъявляемые к реактору синтеза общие требования, не зависящие от каких-либо особенностей технологического или конструктивного характера рассматриваемой системы. На рис. 1 изображена принципиальная схема работы реактора. Установка произвольной конструкции содержит чистую водородную плазму с плотностью п при температуре Т. В реактор вводится топливо, например равнокомпонентная смесь дейтерия и трития, уже нагретая до необходимой температуры. Внутри реактора инжектируемые частицы время от времени сталкиваются между собой и происходит их ядерное взаимодействие. Это полезный процесс; одновременно, однако, из реактора уходит энергия за счёт электромагнитного излучения плазмы и из рабочей зоны ускользает некоторая доля «горячих» (обладающих высокой энергией) частиц, которые не успели испытать ядерные взаимодействия. Пусть t – среднее время удержания частиц в реакторе; смысл величины t таков: за время в 1 сек из 1 см 3 плазмы в среднем уходит n /t частиц каждого знака. В стационарном режиме в реактор надо ежесекундно инжектировать такое же число частиц (в расчёте на единицу объёма). Для покрытия энергетических потерь подводимое топливо должно подаваться в зону реакции с энергией, превышающей энергию потока ускользающих частиц. Эта дополнительная энергия должна компенсироваться за счёт энергии синтеза, выделяющейся в зоне реакции, а также за счёт частичной рекуперации в стенках и оболочке реактора электромагнитного излучения и корпускулярных потоков. Примем для простоты, что коэффициент преобразования в электрическую энергию продуктов ядерных реакций, электромагнитного излучения и частиц с тепловой энергией одинаков и равен h. Величину (часто называют коэффициент полезного действия (кпд). В условиях стационарной работы системы и при нулевой полезной мощности уравнение баланса энергии в реакторе имеет вид:
h(Po + Pr + Pt ) = Pr + Pt , (1)
где Po – мощность ядерного энерговыделения, Pr – мощность потока излучения и Pt – энергетическая мощность потока ускользающих частиц. Когда левая часть написанного равенства делается больше правой, реактор перестаёт расходовать энергию и начинает работать как термоядерная электростанция. При написании равенства (1) предполагается, что вся рекуперированная энергия без потерь возвращается в реактор через инжектор вместе с потоком подводимого нагретого топлива. Величины Ро , Pr и Pt известным образом зависят от температуры плазмы, и из уравнения баланса легко вычисляется произведение
n t = f (T ), (2)
где f (T ) для заданного значения кпд h и выбранного сорта топлива есть вполне определённая функция температуры. На рис. 2 приведены графики f (T ) для двух значений h и для обеих ядерных реакций. Если величины h, достигнутые в данной установке, расположатся выше кривой f (T ), это будет означать, что система работает как генератор энергии. При h = 1 /3 энергетически выгодная работа реактора в оптимальном режиме (минимум на кривых рис. 2 ) отвечает условию («критерии Лоусона»):
реакции (d, d): n t >1015 см -3 ·сек ;
Т ~ 109 К; (3)
реакции (d, t): n t > 0, 5·1015 см -3 ·сек,
Т ~ 2·108 К.
Т. о., даже в оптимальных условиях, для наиболее интересного случая – реактора, работающего на равнокомпонентной смеси дейтерия и трития, и при весьма оптимистических предположениях относительно величины (необходимо достижение температур ~ 2·108 К. При этом для плазмы с плотностью ~ 1014 см -3 должны быть обеспечены времена удержания порядка секунд. Конечно, энергетически выгодная работа реактора может происходить и при более низких температурах, но за это придется «расплачиваться» увеличенными значениями n t.
Итак, сооружение реактора предполагает: 1) получение плазмы, нагретой до температур в сотни миллионов градусов; 2) сохранение плазменной конфигурации в течение времени, необходимого для протекания ядерных реакций. Исследования по У. т. с. ведутся в двух направлениях – по разработке квазистационарных систем, с одной стороны, и устройств, предельно быстродействующих, с другой.
У. т. с. с магнитной термоизоляцией. Рассмотрим сначала первый вариант. Энергетический выход на уровне 105 квт/м 3 достигается для (d, t) реакций при плотности плазмы ~ 1015 см -3 и температуре ~ 108K . Это означает, что размеры реактора на 106 –107 квт (таковы типичные мощности современных больших электростанций) должны быть в пределах 10–100 м 3 , что вполне приемлемо. Основной вопрос состоит в том, каким способом удерживать горячую плазму в зоне реакции. Диффузионные потоки частиц и тепла при указанных значениях n и Т оказываются гигантскими и любые материальные стенки непригодными. Основополагающая идея, высказанная в 1950 в Советском Союзе и США, состоит в использовании принципа магнитной термоизоляции плазмы. Заряженные частицы, образующие плазму, находясь в магнитном поле, не могут свободно перемещаться перпендикулярно к силовым линиям поля. В результате коэффициенты диффузии и теплопроводности поперёк магнитного поля, в случае устойчивой плазмы, очень быстро убывают с возрастанием напряжённости поля и, например, при полях ~105 гс уменьшаются на 14–15 порядков величины против своего «незамагниченного» значения для плазмы с указанной выше плотностью и температурой. Т. о., применение достаточно сильного магнитного поля в принципе открывает дорогу для проектирования реактора синтеза.
Исследования в области У. т. с. с магнитной термоизоляцией делятся на три основных направления: 1) открытые (или зеркальные) магнитные ловушки; 2) замкнутые магнитные системы; 3) установки импульсного действия.
В открытых ловушках уход частиц из рабочей зоны поперёк силовых линий на стенки установки затруднён; он происходит либо в ходе процесса «замагниченной» диффузии (т. е. очень медленно), либо путём перезарядки на молекулах остаточного газа (см. Перезарядка ионов ). Уход плазмы вдоль силовых линий также замедлен областями усиленного магнитного поля (т. н. «магнитными зеркалами» или «пробками»), размещенными на открытых концах ловушки. Заполнение ловушек плазмой обычно производится путём инжекции плазменных сгустков или отдельных частиц, обладающих большой энергией. Дополнительный нагрев плазмы может быть осуществлен с помощью адиабатического сжатия в нарастающем магнитном поле (подробнее см. Магнитные ловушки ).
В системах замкнутого типа (токамак , стелларатор ) уход частиц на стенки тороидальной установки поперёк продольного магнитного поля также затруднён и происходит за счёт замагниченной диффузии и перезарядки. Нагревание плазменного шнура в токамаке на начальных стадиях процесса осуществляется протекающим по нему кольцевым током. Однако по мере повышения температуры джоулев нагрев становится всё менее эффективным, т.к. сопротивление плазмы быстро падает с ростом температуры. Для нагревания плазмы свыше 107 К применяются методы нагрева высокочастотным электромагнитным полем и ввод энергии с помощью потоков быстрых нейтральных частиц.
В установках импульсного действия (Z-пинч и Q-пинч) нагревание плазмы и её удержание осуществляются сильными кратковременными токами, протекающими через плазму. При одновременном нарастании тока и магнитного давления плазма отжимается от стенок сосуда, чем обеспечивается её термоизоляция. Повышение температуры происходит за счёт джоулева нагрева, адиабатического сжатия плазменного шнура и, по-видимому, в результате турбулентных процессов при развитии неустойчивости плазмы (подробнее см. Пинч-эффект ).
Самостоятельное направление образуют исследования горячей плазмы в высокочастотных (ВЧ) полях. Как показали опыты П. Л. Капицы , в водороде и гелии при достаточно высоком давлении удаётся получить в ВЧ полях свободно парящий плазменный шнур с электронной температурой ~105 К. Система допускает замыкание шнура в кольцо и наложение дополнительного продольного магнитного поля.
Успешная работа любой из перечисленных установок возможна только при условии, что исходная плазменная структура оказывается макроскопически устойчивой, сохраняя заданную форму в течение всего времени, необходимого для протекания реакции. Кроме того, в плазме должны быть подавлены микроскопические неустойчивости, при возникновении и развитии которых распределение частиц по энергиям перестаёт быть равновесным и потоки частиц и тепла поперек силовых линий резко возрастают по сравнению с их теоретическими значениями. Именно в направлении стабилизации плазменных конфигураций развивались основные исследования магнитных систем начиная с 1950, и эта работа всё ещё не может считаться полностью завершенной.
Сверхбыстродействующие системы У. т. с. с инерциальным удержанием. Трудности, связанные с магнитным удержанием плазмы, можно в принципе обойти, если сжигать ядерное горючее за чрезвычайно малые времена, когда нагретое вещество не успевает разлететься из зоны реакции. Согласно критерию Лоусона, полезная энергия при таком способе сжигания может быть получена лишь при очень высокой плотности рабочего вещества. Чтобы избежать ситуации термоядерного взрыва большой мощности, нужно использовать очень малые порции горючего, исходное термоядерное топливо должно иметь вид небольших крупинок (диаметром 1–2 мм ), приготовленных из смеси дейтерия и трития, впрыскиваемых в реактор перед каждым его рабочим тактом. Главная проблема здесь заключается в подведении необходимой энергии для разогрева крупинки горючего. В настоящая время (1976) решение этой проблемы возлагается на применение лазерных лучей или интенсивных электронных пучков. Исследования в области У. т. с. с применением лазерного нагрева были начаты в 1964; использование электронных пучков находится на более ранней стадии изучения – здесь выполнены пока сравнительно немногочисленные эксперименты.
Оценки показывают, что выражение для энергии W, которую необходимо подводить к установке для обеспечения работы реактора, имеет вид:
дж
Здесь h – выражение общего вида для кпд устройства и a – коэффициент сжатия мишени. Как показывает написанное равенство, даже при самых оптимистических допущениях относительно возможного значения h величина W при a = 1 получается несоразмерно большой. Поэтому только в сочетании с резким увеличением плотности мишени (примерно в 104 раз) по сравнению с исходной плотностью твёрдой (d, t) мишени можно подойти к приемлемым значениям W. Быстрое нагревание мишени сопровождается испарением её поверхностных слоев и реактивным сжатием внутренних зон. Если подводимая мощность определённым образом программирована во времени, то, как показывают вычисления, можно рассчитывать на достижение указанных коэффициентов сжатия. Другая возможность состоит в программировании радиального распределения плотности мишени. В обоих случаях необходимая энергия снижается до 106 дж, что лежит в пределах технической осуществимости, учитывая стремительный прогресс лазерных устройств.
Трудности и перспективы. Исследования в области У. т. с. сталкиваются с большими трудностями как чисто физического, так и технического характера. К первым относится уже упомянутая проблема устойчивости горячей плазмы, помещенной в магнитную ловушку. Правда, применение сильных магнитных полей специальной конфигурации подавляет потоки частиц, покидающих зону реакции, и позволяет получить в ряде случаев достаточно устойчивые плазменные образования. Электромагнитное излучение при используемых значениях n и Т плазмы и возможных размерах реактора свободно покидает плазму, но для чисто водородной плазмы эти энергетические потери определяются только тормозным излучением электронов и в случая (d, t) реакций перекрываются ядерным энерговыделением уже при температурах выше 4·107 К.
Вторая фундаментальная трудность связана с проблемой примесей. Даже малая добавка чужеродных атомов с большим Z, которые при рассматриваемых температурах находятся в сильно ионизованном состоянии, приводит к резкому увеличению интенсивности сплошного спектра, к появлению линейчатого спектра и возрастанию энергетических потерь выше допустимого уровня. Требуются чрезвычайные усилия (непрерывное совершенствование вакуумных установок, использование тугоплавких и труднораспыляемых металлов в качестве материала диафрагм, применение специальных устройств для улавливания чужеродных атомов и т.д.), чтобы содержание примесей в плазме оставалось ниже допустимого уровня. Точнее – «летальная» концентрация, исключающая возможность протекания термоядерных реакций, например для примеси вольфрама или молибдена, составляет десятые доли процента.
На рис. 3 на диаграмме (n t, Т ) указаны параметры, достигнутые на различных установках к середине 1976. Ближе всего к области, где оказывается удовлетворённым критерий Лоусона и может протекать самоподдерживающаяся термоядерная реакция, располагаются установки типа токамак и системы с лазерным нагревом. Было бы, однако, ошибочным на основании имеющихся данных делать категорические заключения о типе того устройства, которое будет положено в основу термоядерного реактора будущего. Слишком быстрыми темпами происходит развитие данной области технической физики, и многие оценки могут измениться на протяжении ближайшего десятилетия.
Огромное значение, которое придаётся исследованиям в области У. т. с., объясняется рядом причин. Нарастающее загрязнение окружающей среды настоятельно требует перевода промышленного производства планеты на замкнутый цикл, когда возникает минимум отходов. Но подобная реконструкция промышленности неизбежно связана с резким возрастанием энергопотребления. Между тем ресурсы минерального топлива ограничены и при сохранении существующих темпов развития энергетики будут исчерпаны на протяжении ближайших десятилетий (нефть, горючие газы) или столетий (уголь). Конечно, наилучшим вариантом было бы использование солнечной энергии, но низкая плотность мощности падающего излучения сильно затрудняет радикальное решение этой проблемы. Переход энергетики в глобальном масштабе на ядерные реакторы деления ставит сложные проблемы захоронения огромных радиоактивных отходов (альтернатива: выброс радиоактивных отходов в космос). По имеющимся оценкам, радиоактивная опасность установок на У. т. с. должна оказаться на три порядка величины ниже, чем у реакторов деления. Если говорить о далёких прогнозах, то оптимум следует искать в сочетании солнечной энергетики и У. т. с.
Лит.: Тамм И. Е., Теория магнитного термоядерного реактора, ч. 1, в сборнике: Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций, т. 1, М., 1958; Сахаров А. Д., Теория магнитного термоядерного реактора, ч. 2, там же; Арцимович Л. А., Управляемые термоядерные реакции, М., 1963; Капица П. Л., Свободный плазменный шнур в высокочастотном поле при высоком давлении, «Журнал экспериментальной и теоретической физики», 1969, т. 57, в. 6(12); его же, Термоядерный реактор со свободно парящим в высокочастотном поле плазменным шнуром, там же, 1970, т. 58, в. 2; Роуз Д., Управляемый термоядерный синтез. (Результаты и общие перспективы), «Успехи физических наук», 1972, т. 107, в. 1, с. 99; Лукьянов С. Ю., Горячая плазма и управляемый ядерный синтез, М., 1975; Лазеры и термоядерная проблема, под ред. Б. Б. Кадомцева, М., 1974; Ribe F. L., Fusion reactor systems, «Reviews of Modern Physics», 1975, v. 47, №1; Furth H. P., Tokamak Research, «Nuclear Fusion», 1975, v. 15, № 3; Ashby D. Е., Laser fusion, «Journal of the British Nuclear Energy Society», 1975, № 4.
С. Ю. Лукьянов.
Рис. 3. Параметры, достигнутые на различных установках для изучения проблемы управляемого термоядерного синтеза к середине 1976. Т-10 — установка токамак Института атомной энергии им. И. В. Курчатова, СССР; PLT — установка токамак Принстонской лаборатории, США; Алкатор — установка токамак Массачусетского технологического института, США; TFR — установка токамак в Фонтене-о-Роз, Франция; ПР-6 — открытая ловушка Института атомной энергии им. И. В. Курчатова, СССР; 2ХIIB — открытая ловушка Ливерморской лаборатории, США; θ-пинч (Сциллак) — установка Лос-Аламосской лаборатории, США; Стеллатор «Ураган-1» — установка Украинского физико-технического института, СССР; Лазер-импульсные системы с лазерным нагревом, СССР, США.
Рис. 2. к ст. Управляемый термоядерный синтез.
Рис. 1. к ст. Управляемый термоядерный синтез.
Управляющая машина
Управля'ющая маши'на , управляющая вычислительная машина (УВМ), вычислительная машина, включенная в контур управления техническими объектами (процессами, машинами, системами). УВМ принимают и обрабатывают информацию, поступающую в процессе управления, и выдают управляющую информацию либо в виде текста, таблицы, графика, отпечатанных на бумаге или отображаемых на экране дисплея, либо в виде сигналов (воздействий), подаваемых на исполнительные органы объекта управления (см. рис. ). Главная цель применения УВМ – обеспечение оптимальной работы объекта управления. Управление с помощью УВМ строится на основе математического описания поведения объектов (см. Алгоритмизация процессов , Математическая модель ). Отличительная особенность УВМ – наличие в них наряду с основными устройствами, входящими в состав всех ЭВМ (процессором , памятью и др.), комплекса устройств связи с объектом. К этому комплексу относятся устройства, осуществляющие ввод в процессор данных (получаемых от датчиков величин, характеризующих состояние управляемого объекта), устройства, обеспечивающие выдачу управляющих воздействий на исполнительные органы, а также различные преобразователи сигналов, устройства отображения информации.
Различают УВМ универсальные (общего назначения) и специализированные. К специализированным относятся УВМ, ориентированные на решение задач в системах, управляющих заранее определённым небольшим набором объектов (процессов). К универсальным относят УВМ, которые по своим техническим параметрам и возможностям могут быть использованы практически в любой системе управления. По способу представления информации УВМ делят на цифровые (см. Цифровая вычислительная машина ), аналоговые (см. Аналоговая вычислительная машина ) и гибридные – цифро-аналоговые. Цифровые УВМ превосходят аналоговые по точности управления, но уступают им в быстродействии. В гибридных УВМ цифровые и аналоговые вычислительные устройства работают совместно, что позволяет в максимально степени использовать их достоинства.
УВМ является центральным звеном в системах автоматического управления (САУ). Она осуществляет обработку информации о текущих значениях физических величин, характеризующих объект, и об их изменении, а также вырабатывает управляющие сигналы, обеспечивающие заданные режимы его работы. В автоматизированных системах управления (АСУ) технологическими процессами УВМ обычно работает в режиме советчика, выдавая оператору сведения о состоянии объекта управления и рекомендации по оптимизации процесса управления, или (реже) в режиме непосредственного управления. По назначению и области использования УВМ подразделяются на промышленные, аэрокосмические, транспортные и др.
