基于TRIZ解決航空航天用吸波貼片成本高的問(wèn)題

韓靜，譚琳，馮輝霞，陳娜麗，趙丹，霍佳鑫

基于TRIZ解決航空航天用吸波貼片成本高的問(wèn)題

韓靜，譚琳，馮輝霞，陳娜麗，趙丹，霍佳鑫

（蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，蘭州 730050）

解決隱身飛機(jī)在飛行過(guò)程中因吸波貼片自身過(guò)重產(chǎn)生巨大的飛行成本，吸波貼片在飛行條件下易產(chǎn)生劃痕、損傷、材料損耗快，以及因修復(fù)工序復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)產(chǎn)生大量維護(hù)費(fèi)用等問(wèn)題。應(yīng)用TRIZ理論進(jìn)行分析求解，通過(guò)采用功能模型分析、因果分析等找到航空航天用吸波貼片成本高的關(guān)鍵缺陷，利用技術(shù)矛盾分析、物理矛盾分析、物場(chǎng)模型及標(biāo)準(zhǔn)解、小人法等工具得到多個(gè)解決方案。經(jīng)過(guò)綜合評(píng)估最終找到經(jīng)濟(jì)、易于實(shí)現(xiàn)的解決方案。通過(guò)運(yùn)用TRIZ理論，并且通過(guò)綜合評(píng)價(jià)找到了減少吸波貼片成本的最優(yōu)方案：吸波貼片中的吸波體由摻雜雜原子的石墨烯構(gòu)成了多孔結(jié)構(gòu)，增加了其吸波性能；再將材料與自愈合材料相結(jié)合，增加其自愈能力，從而得到吸波性能好、質(zhì)量小、自愈合能力強(qiáng)的吸波貼片。文中得出的結(jié)果對(duì)減少隱身戰(zhàn)機(jī)吸波貼片成本的研究具有一定的理論指導(dǎo)意義，有助于減少高集成設(shè)備過(guò)多對(duì)人類及環(huán)境產(chǎn)生的危害。

TRIZ理論；吸波貼片；因果分析；矛盾分析；小人法

發(fā)明問(wèn)題解決理論（TRIZ）是由前蘇聯(lián)學(xué)者根里奇·阿奇舒勒（Ahshuller G S）及其研究小組于1964年最先提出的[1]。TRIZ是一整套系統(tǒng)性的、基于知識(shí)的創(chuàng)新方法體系，包括創(chuàng)新思維、分析工具以及解題工具等。小人法、九屏幕法、IFR法、STC算子等是用來(lái)輔助創(chuàng)新的思維方法；功能分析、因果分析、技術(shù)矛盾分析、物場(chǎng)分析、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則以及發(fā)明問(wèn)題解決算法ARIZ是用來(lái)分析問(wèn)題的工具；用于解決問(wèn)題的工具包括39個(gè)工程參數(shù)、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解、40條發(fā)明原理以及科學(xué)效應(yīng)庫(kù)[2]。應(yīng)用TRIZ進(jìn)行創(chuàng)新，可以獲得較高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，進(jìn)而提升產(chǎn)品及企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力[3-4]。

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，雷達(dá)是探測(cè)目標(biāo)最可靠的手段，因此雷達(dá)隱身技術(shù)是隱身技術(shù)的重點(diǎn)[5]。然而，在日益重要的飛機(jī)隱身技術(shù)中，電磁波吸收材料的作用和地位逐漸突出。在隱身飛機(jī)上貼敷吸波貼片可以吸收偵察電波、衰減反射信號(hào)，從而突破敵方雷達(dá)的防區(qū)。然而吸波貼片產(chǎn)生了巨大的飛行成本以及維護(hù)費(fèi)用。本文利用TRIZ理論有效降低了航空航天中吸波貼片的成本和維護(hù)費(fèi)用，大大提高了吸波貼片的吸波性能。

1 問(wèn)題分析

1.1 問(wèn)題描述

吸波貼片通過(guò)吸收電磁波來(lái)達(dá)到飛機(jī)隱身的目的，然而吸波貼片在隱身飛機(jī)的飛行過(guò)程中產(chǎn)生大量費(fèi)用。其一是吸波貼片自身過(guò)重，造成負(fù)載以及能耗增加，因此產(chǎn)生巨大的飛行成本；其二是吸波貼片因不耐受嚴(yán)苛的高低溫環(huán)境、雨水的腐蝕和流體的磨損帶來(lái)巨大的維護(hù)費(fèi)用；其三由于隱身飛機(jī)每飛行一個(gè)小時(shí)需要大約3個(gè)月的時(shí)間進(jìn)行修復(fù)，吸波貼片需要全部去除并且重新修，因此這是產(chǎn)生大量維護(hù)費(fèi)用的另一個(gè)原因。針對(duì)以上問(wèn)題，運(yùn)用TRIZ理論進(jìn)行分析，并研究解決方案。

1.2 IFR最終理想解

最終理想解（Ideal Final Result, IFR）就是在解決問(wèn)題之初拋開各種客觀限制條件，通過(guò)理想化來(lái)定義問(wèn)題的最終理想解，以明確理想解所在的方向和位置，保證在問(wèn)題解決過(guò)程中沿著此目標(biāo)前進(jìn)并獲得最終理想解，從而避免了傳統(tǒng)創(chuàng)新涉及方法中缺乏目標(biāo)的弊端，提升了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的效率[6]。IFR分析流程如表1所示。

1.3 功能分析

功能分析是建立工程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及相互作用，回答“它是干什么的”，并且通過(guò)評(píng)價(jià)其性能水平，分為有用功能、有害的功能，不足的功能和過(guò)度的功能。通過(guò)運(yùn)用功能分析，分析組件之間的相互作用來(lái)構(gòu)建功能模型，研究系統(tǒng)和超系統(tǒng)組件的功能和用途，找出技術(shù)系統(tǒng)中存在的不足[7]。

針對(duì)吸波貼片成本高的問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)分析，通過(guò)對(duì)技術(shù)系統(tǒng)的功能分析，系統(tǒng)組件有樹脂黏合劑、吸波體（鐵磁體、陶瓷材料）、橡膠透波體；超系統(tǒng)有雨水、熱場(chǎng)、流體、重力場(chǎng)、機(jī)身；系統(tǒng)的作用對(duì)象為電磁波。吸波貼片分為三大部分：第1部分為橡膠透波體使電磁波進(jìn)入材料內(nèi)部；第2部分為吸波體在內(nèi)部吸收電磁波；第3部分為橡膠透波體和吸波體這兩部分混合，通過(guò)樹脂黏合劑黏附到機(jī)身上。其中的核心材料是吸波材料，目前應(yīng)用于飛機(jī)隱身的吸波材料最常見的是可以磁吸收的鐵磁體和可以介電吸收的陶瓷材料，然而由于他們的密度較大（鐵磁體為8×103～16×103kg/m3，陶瓷為3.5×103～4.9×103kg/m3），導(dǎo)致在重力場(chǎng)的作用下使得飛機(jī)產(chǎn)生了巨大的負(fù)重。吸波貼片的各元件功能組件模型如圖1所示。

表1 IFR分析流程

Tab.1 IFR analysis process

1.4 因果分析

因果分析是從系統(tǒng)存在的問(wèn)題入手，層層分析形成問(wèn)題的原因，直到找到問(wèn)題產(chǎn)生的根源，以便提出解決問(wèn)題的對(duì)策及方案。

將吸波貼片成本高作為初始問(wèn)題，尋找解決問(wèn)題的關(guān)鍵，具體分析如圖2所示。通過(guò)因果分析[8]發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致吸波貼片成本高的原因是透波體受流體摩擦易破損，酸雨腐蝕黏合劑，高低溫環(huán)境腐蝕透波體，高溫下黏合劑的黏合度降低，吸波貼片受損后需全部更換，陶瓷質(zhì)量過(guò)大，鐵磁體質(zhì)量過(guò)大等。

圖1 功能模型

圖2 因果鏈分析

2 解決問(wèn)題

共運(yùn)用最終理想解法、因果分析直接解決、裁剪、物場(chǎng)分析、技術(shù)矛盾、物理矛盾和小人法這7種方法解決問(wèn)題。

2.1 以“吸波貼片修復(fù)工序復(fù)雜”為入手點(diǎn)解決問(wèn)題

2.1.1 利用最終理想解法解決問(wèn)題

根據(jù)表1對(duì)IFR的分析，得到最終理想解為吸波貼片有自我修復(fù)能力。因此得到方案1，即吸波貼片選用三硫代碳酸鹽自修復(fù)材料，當(dāng)貼片開裂時(shí)，吸波貼片可以完成自我修復(fù)。

2.1.2 運(yùn)用因果分析可以直接解決的問(wèn)題

針對(duì)吸波貼片受損后全部更換的問(wèn)題，得到解決方案2，即綜合使用貼片技術(shù)和噴涂技術(shù)，對(duì)受損較小的貼片使用噴涂技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，對(duì)受損較大的貼片則重新更換。

2.2 以“吸波貼片質(zhì)量過(guò)大”為入手點(diǎn)解決問(wèn)題

2.2.1 利用裁剪工具解決問(wèn)題

裁剪優(yōu)化系統(tǒng)：裁剪掉密度大的鐵磁體和陶瓷材料，由密度小的石墨烯替代，保留其損耗電磁波的功能，如圖3所示。

根據(jù)裁剪法得到解決方案3，即用材質(zhì)輕的石墨烯（2.2×10?3kg/m3）替代鐵磁體和陶瓷材料。

2.2.2 利用技術(shù)矛盾解決問(wèn)題

要想改善技術(shù)系統(tǒng)中的某一特性或某一參數(shù)時(shí)，經(jīng)常會(huì)引起系統(tǒng)中另一特性或參數(shù)的惡化。把組成矛盾的雙方內(nèi)部性能轉(zhuǎn)化成39個(gè)工程參數(shù)中的2個(gè)參數(shù)[9-10]。

針對(duì)如何避免吸波貼片自重使飛行費(fèi)用高的問(wèn)題，由裁剪法得出采用質(zhì)地輕的石墨烯代替鐵磁類和陶瓷類材料的方法。然而石墨烯貼片的導(dǎo)電能力強(qiáng)，導(dǎo)致電磁波無(wú)法進(jìn)入材料內(nèi)部。轉(zhuǎn)換成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突，改善的參數(shù)：1.運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量，惡化的參數(shù)：27.可靠性。對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理：3.局部質(zhì)量原理、11.事先防范原理、1.分割原理、27.廉價(jià)替代品原理。依據(jù)11.事先防范原理，得到解決方案4，即在石墨烯中加入雜原子，改善石墨烯的結(jié)構(gòu)，在降低飛行成本的同時(shí)提高了石墨烯貼片的吸波性能。

2.2.3 利用物理矛盾解決問(wèn)題

物理矛盾是一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的工程參數(shù)具有相反的需求[11]。解決物理矛盾可以采用分離的方法，包括空間分離、時(shí)間分離、條件分離、系統(tǒng)級(jí)別分離。

由物場(chǎng)分析得出問(wèn)題點(diǎn)，為了“增加吸波性能”，需要參數(shù)“吸波貼片的厚度”為“厚”，但又為了“減輕飛行成本”，需要參數(shù)“吸波貼片的厚度”為“薄”，即，吸波貼片的厚度既要“厚”又要“薄”?；陉P(guān)系分離推薦的解決物理矛盾的發(fā)明原理：3.局部質(zhì)量、17.空間維數(shù)變化、19.周期性作用、31.多孔材料、32.改變顏色、40.復(fù)合材料[12]。依據(jù)31.多孔材料原理，得到解決方案5，即將吸波貼片制成多孔材料貼片，通過(guò)引入多重反射提高吸波性能，并且減少了原料的使用量，從而大量減輕了飛行成本。

圖3 裁剪模型

2.3 以“吸波貼片修復(fù)工序時(shí)間長(zhǎng)”為入手點(diǎn)解決問(wèn)題

針對(duì)吸波貼片修復(fù)工序時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，得到解決方案6，即使用機(jī)器人智能修復(fù)的技術(shù)手段修復(fù)受損的吸波貼片，減少修復(fù)時(shí)間。

2.4 以“原材料磨損高”為入手點(diǎn)解決問(wèn)題

2.4.1 運(yùn)用因果分析可以直接解決的問(wèn)題

針對(duì)透波體在飛行條件下受流體摩擦易磨損的問(wèn)題，得到解決方案7，即在橡膠透波體表面添加耐摩擦材料聚氨酯薄膜，能有效阻止流體摩擦透波體。

2.4.2 運(yùn)用資源分析可以直接解決的問(wèn)題

資源是一切可以被人類用來(lái)解決問(wèn)題的物質(zhì)、能量、信息和其屬性的總稱[13-14]。資源分析是從系統(tǒng)的高度研究分析資源，挖掘系統(tǒng)的隱形資源、派生資源；關(guān)注系統(tǒng)資源間的有機(jī)聯(lián)系；合理地組合、配置、優(yōu)化資源結(jié)構(gòu)；提升系統(tǒng)資源的應(yīng)用價(jià)值或理想度。以耐高溫能力不足的吸波貼片為研究對(duì)象，對(duì)當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行資源分析，如圖4所示。

圖4 資源分析

2.4.3 運(yùn)用物場(chǎng)分析工具解決問(wèn)題

物場(chǎng)分析是根據(jù)建模原理，通過(guò)描述產(chǎn)品（技術(shù)系統(tǒng)）內(nèi)組件之間的相互關(guān)系，從而全面分析產(chǎn)品，獲得產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的解決方案，實(shí)現(xiàn)所需功能的分析方法[15]。在使用物場(chǎng)模型的過(guò)程中，要根據(jù)模型所描述的功能問(wèn)題類型來(lái)確定問(wèn)題的性質(zhì)，同時(shí)，要參考76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解，為設(shè)計(jì)者激發(fā)創(chuàng)新思維而創(chuàng)造條件[16]。

根據(jù)所建問(wèn)題的物場(chǎng)模型，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解決流程，得到1.2.1節(jié)中標(biāo)準(zhǔn)解：在S1和S2之間引入S3消除有害作用[17]，物場(chǎng)模型見圖5。在物場(chǎng)模型中，F(xiàn)表示場(chǎng)，S1、S2和S3表示物質(zhì)，箭頭S2指向S1，表示S2對(duì)S1有作用F。當(dāng)F為熱場(chǎng)，S1為透波體，S2為空氣時(shí)，引入S3改性膨脹石墨相變材料，得到解決方案9，即在透波體表面添加改性膨脹石墨相變材料，當(dāng)外界溫度不適宜時(shí)，可為透波體調(diào)節(jié)溫度，使透波體免受溫度沖擊熱脹冷縮產(chǎn)生的熱應(yīng)力損害。當(dāng)F為化學(xué)場(chǎng)，S1為硅橡膠透波體，S2為酸雨時(shí)，引入S3硅氟橡膠透波體，得到解決方案10，即將硅橡膠改用耐酸雨腐蝕的氟硅橡膠材料作為透波體，阻止酸雨腐蝕硅橡膠透波體。

圖5 問(wèn)題的物場(chǎng)模型

2.4.4 利用技術(shù)矛盾解決問(wèn)題

針對(duì)如何降低黏合劑的摩擦損耗率的問(wèn)題，采用加入硬度強(qiáng)、耐磨性材料的方法解決。然而黏合劑與吸波體的黏合力減小，轉(zhuǎn)換成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突，改善的參數(shù)：23.物質(zhì)損失，惡化的參數(shù)：30.作用于物體的有害因素。對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理：33.同質(zhì)性原理、22.變害為利原理、30.柔性殼體和薄膜原理、40.復(fù)合材料原理。依據(jù)33.同質(zhì)性原理，得到解決方案11，即黏合劑的樹脂材料改用與吸波貼片相近的硅橡膠材料，增強(qiáng)層間結(jié)合強(qiáng)度，避免應(yīng)力在結(jié)構(gòu)變化處集中，造成吸波貼片產(chǎn)生裂紋而失效。

2.4.5 利用小人法解決問(wèn)題

小人法用一組小人來(lái)代表這些不能完成特定功能部件，通過(guò)能動(dòng)的小人，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，是從解決方案模型到實(shí)際解決方案的過(guò)渡[18]。

在小人法模型中，如圖6所示，藍(lán)色小人為黏合劑，黃色小人為吸波體，紅色小人為透波體，綠色小人為相變材料，紫色小人為耐摩擦薄膜，飛機(jī)在飛行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)紫色、綠色、紅色和黃色的小人在飛行過(guò)程中有不同程度的磨損。其中綠色和紫色的小人在流體沖刷的作用下結(jié)合力減弱，容易被剝離，因此設(shè)想將紫色、綠色、紅色和黃色的小人打亂，可以在原子層上極大地增加他們相互作用的表面積，使得他們變得牢固。因此得到解決方案12，即將聚氨酯薄膜耐磨性材料、改性膨脹石墨相變材料、吸波體和透波體混合，增加分子間的結(jié)合力，降低材料的脫落率，提高吸波貼片的使用壽命。

3 最終方案選擇

通過(guò)分析各個(gè)方案的技術(shù)先進(jìn)性以及目前的可實(shí)施性，各方案分析評(píng)價(jià)如表2所示，可以看出評(píng)分較高的是方案1、方案4、方案5。通過(guò)分析該技術(shù)系統(tǒng)的最終理想解[19]，將這幾個(gè)方案結(jié)合，得到最終解如下：吸波貼片中的吸波體由摻雜雜原子的石墨烯構(gòu)成多孔結(jié)構(gòu)，增加其吸波性能；再將材料與自愈合材料相結(jié)合，增加其自愈能力，從而得到吸波性能好、質(zhì)量小、自愈合能力強(qiáng)的吸波貼片。

圖6 小人模型

表2 各方案分析評(píng)價(jià)

Tab.2 Analysis and evaluation of each scheme

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)運(yùn)用TRIZ原理，對(duì)吸波貼片成本高的問(wèn)題進(jìn)行功能分析和因果分析。然后通過(guò)裁剪法、物場(chǎng)分析法、技術(shù)矛盾法、物理矛盾法和小人法這5種解題方法得到多個(gè)解決方案。最后通過(guò)方案綜合評(píng)價(jià)得到最佳方案，進(jìn)而減少了吸波貼片的成本。本文對(duì)減少隱身戰(zhàn)機(jī)吸波貼片成本的研究有較好的啟發(fā)，另外對(duì)高集成設(shè)備過(guò)多導(dǎo)致的電磁污染問(wèn)題提供了解決思路，有助于減少高集成設(shè)備過(guò)多對(duì)人類及環(huán)境產(chǎn)生的危害。

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Solution to Problem of High Cost of Microwave Absorbing Patches for Aerospace Based on TRIZ

HAN Jing, TAN Lin, FENG Hui-xia, CHEN Na-li, ZHAO Dan, HUO Jia-xin

(School of Petrochemical Technology, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

The work aims to solve the problems of the huge flight cost caused to the stealth aircraft by the excessive weight of the microwave absorbing patch, the easy scratches, damage and fast material loss of the microwave absorbing patch under flight conditions and the complex repair process, long time and a large amount of maintenance costs. The TRIZ theory was applied to analyze and solve the problems. The key defects for the high cost of the microwave absorbing patch for aerospace were found by functional model analysis and causality analysis. Then, several solutions were obtained by technical contradiction analysis, physical contradiction analysis, material field model and standard solution, small man method and other tools. After comprehensive evaluation, an economical solution easy to implement was found. By TRIZ theory and comprehensive evaluation, the optimal scheme to reduce the cost of the microwave absorbing patch was found. The absorbing body of the microwave absorbing patch was composed of a porous structure of graphene doped with heteroatoms, which increased its absorbing performance. Then, the material was combined with the self-healing material to increase its self-healing ability, so as to obtain the microwave absorbing patch with good absorbing performance, small weight and strong self-healing ability. The research results have a certain theoretical significance to reduce the cost of microwave absorbing patch in stealth aircraft, which is helpful to reduce the harm to human and environmentcaused by highly integrated devices.

TRIZ theory; microwave absorbing patch; causality analysis; contradiction analysis; small man method

TB33

A

1001-3563(2023)09-0104-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.09.013

2023?03?24

國(guó)家科技部2020年重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃創(chuàng)新方法工作專項(xiàng)（SQ2020IMG100001）；國(guó)家西部地區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21664009）；國(guó)家西部地區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51063003）

韓靜（1997—），女，碩士生。

馮輝霞（1966—），女，博士。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋