5.2. Теория – высшая форма организации научного знания
Теория (греч. theoría, от theoréo — рассматриваю, исследую ), в широком смысле – комплекс взглядов, представлений, идей, направленных на истолкование и объяснение какого-либо явления; в более узком и специальном смысле – высшая, самая развитая форма организации научного знания, дающая целостное представление о закономерностях и существующих связях определённой области действительности – объекта данной теории [1].
В современной методологии науки принято выделять следующие основные компоненты теории: 1) исходную эмпирическую основу, которая включает множество зафиксированных в данной области знания фактов, достигнутых в ходе экспериментов и требующих теоретического объяснения; 2) исходную теоретическую основу — множество первичных допущений, постулатов, аксиом, общих законов, в совокупности описывающих идеализированный объект; 3) логику теории – множество допустимых в рамках теории правил логического вывода и доказательства; 4) совокупность выведенных утверждений с их доказательствами, составляющую основной массив теоретического знания [1].
Возвращаясь к тому факту (симметрия, подобие), что многие явления и создания природы, казалось бы, никак не сопоставимые друг с другом (например, орбиты планет и электронов; колебания пружины, волны и электромагнитной волны и т.д. ) имеют некую общую взаимосвязь, необходимо отметить, что многие учёные ставили перед собой цель отыскания универсального закона объединяющего все явления и предметы.
В частности известно, что А. Эйнштейн в последние годы жизни много работал над созданием единой теории поля [2]. Её смысл главным образом заключается в том, чтобы с помощью одного-единственного уравнения описать взаимодействие трёх фундаментальных сил: электромагнитных, гравитационных и ядерных…
Как один из примеров создания новой техники в следующем разделе более подробно рассмотрен процесс появления и совершенствования космических ракетных носителей, и в частности остановимся на проблемах устойчивости их движения.
6. Теория движений изделий космической техники
«Человечество не останется вечно на Земле,
но в погоне за светом и пространством сначала
робко проникнет за пределы атмосферы, а затем
завоюет себе всё околосолнечное пространство»
6.1. Краткая история развития космонавтики
Многие историки науки и техники считают, что первые предшественники ракеты были «огненные стрелы», изобретенные в Китае. Однако не говорится о том, что их прообразами явились стрелы обыкновенные. И действительно, одними из первых «искусственных» предметов запущенных человеком в воздух были не только камни, но затем копья, а в последствии стрелы. Другое дело, что движущей силой для них являлись на первых порах рука человека и упругая тетива лука.
Далее с изобретением в Китае в IX веке пороха появилась мысль об управляемом взрыве, а точнее горении (также как в последствии об управляемой ядерной цепной реакции), и появились т.н. стрелы Хо-Цзян – «огненные стрелы».
Российский историк В. Сокольский описывает, что они представляли собой обычную стрелу, к древку которой прикреплялась бамбуковая или бумажная трубка. Трубка наполнялась порохом или аналогичным составом, который поджигался при помощи фитиля [2].
Твёрдотопливные пороховые ракеты появились в Китае в 10 в. н. э. На протяжении сотен лет такие ракеты применялись сначала на Востоке, а затем в Европе как фейерверочные, сигнальные, боевые.
Немецкий историк ракетной техники Вилли Лей считал, что начало применения ракетной техники в Китае относится к 1232 г. – времени обороны Пекина от монголов.
О превращении зажигательных стрел в простейшие ракеты свидетельствуют рисунки, на которых стрелы выпускают сразу по 15-20 штук из корзин, официально названных историками многозарядными пусковыми установками.
Известно о попытке китайца Ван Ху в 1500 г. подняться в воздух с помощью ракет. Все 47 фейерверочных ракет, размещённых под сиденьем летательного аппарата, подожженные одновременно 47 слугами, взорвались одновременно. Изобретатель погиб.
Устройство фейерверочных ракет дошло до нас в описаниях Конрада Хасса, Леонгардта Фронспергера, а Иоганн Шмидлап приводит рисунок многоступенчатой фейерверочной ракеты, использовавшейся не для скорости и дальности полёта, а для достижения большего эффекта. Таким образом, принцип многоступенчатости в ракетной технике известен, по крайней мере, с XVIвека.
В начале XIX века в результате массированной ракетной атаки (около 25000 зажигательных ракет) сгорела большая часть Копенгагена, применение зажигательных ракет решило исход боя под Лейпцигом и в Гданьске. Максимальная дальность ракет Конгрева к этому времени достигала 2700 м, заряд содержал 3,2 кг взрывчатого вещества. Его ракетами оснащались армии Дании, Франции, Испании, Швеции [2].
В 1903 К. Э. Циолковский в работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами» впервые в мире выдвинул основные положения теории жидкостных ракетных двигателей и предложил основные элементы устройства РД на жидком топливе.
Немецкий учёный Герман Оберт (1894 – 1989) развил эти идеи. Он является создателем теории космического полёта, автором первого в мире проекта многоступенчатой космической ракеты, конструктором первого в Европе успешно работавшего жидкостного ракетного двигателя. Будучи гимназистом, он вывел уравнение движения ракеты и разработал первую схему реактивного летательного аппарата на несколько человек. В 1917 году он представил в Министерство вооружений Германии проект одноступенчатой ракеты дальнего действия, которая не только внешним видом, но и конструкцией походила на современные баллистические ракеты.
В головной части 25-метровой ракеты должен был размещаться заряд взрывчатого вещества массой 10 т, в качестве топлива предполагалось использовать этиловый спирт и жидкий кислород. К 1923 г., окончив Клаузенбургский университет, он получил диплом профессора физики и математики и разработал полную теорию космического полёта, предложил два проекта двухступенчатой ракеты для достижения космических скоростей и лунной ракеты, способной совершить перелёт на другое небесное тело[2].
За десять лет до Оберта проект лунной ракеты предложил французский теоретик космонавтики Робер Энсо-Пельтри, но полагал, что для космических перелётов должно использоваться атомное топливо, т.е. относил начало практического освоения космоса в туманные перспективы.
Первый в мире запуск ракеты на жидком топливе (жидкий кислород и газолин) произошёл в 1926 г. Автором проекта был американский учёный, один из пионеров ракетной техники Р. Годдард (1882-1945) .
Первые советские жидкостные ракетные двигатели – ОРМ, ОРМ-1, ОРМ-2 были спроектированы В. П. Глушко и под его руководством созданы в 1930—31 в Газодинамической лаборатории (ГДЛ). Впервые электротермический РД был создан и испытан Глушко в ГДЛ в 1929÷1933 [1].
Первые реактивные ракеты «Фау-1» (конструкции В. фон Брауна) были выпущены немецким вермахтом летом 1944 г. по целям в Англии, они несли заряд взрывчатого вещества со скоростью 650 км/ч.
Следующая модель, «Фау-2» (14 т), была первой настоящей ракетой. Она летела со скоростью 6000 км/ч; 3 октября 1942 г. впервые в истории техники была преодолена скорость звука. Осенью 1944 г. немцы успели выпустить по югу Англии 1100 ракет «Фау-2», пока военные силы союзнических держав не захватили пусковые установки в Голландии.
Основоположником практической космонавтики является С. П. Королев. К 1957 под его руководством был создан ракетно-космический комплекс, позволивший запустить первый искусственный спутник Земли, а затем был осуществлен вывод на околоземные орбиты ряда автоматически управляемых космических аппаратов; к 1961 был отработан и запущен космический корабль «Восток», на котором совершил первый полёт Ю. А. Гагарин.
Начало космической эры – 4 октября 1957, дата запуска в СССР первого искусственного спутника Земли. Вторая важнейшая дата космической эры – 12 апреля 1961 – день первого космического полета Ю. А. Гагарина, начало эпохи непосредственного проникновения человека в космос.
Третье историческое событие – первая лунная экспедиция 16-24 июля 1969, выполненная Н. Армстронгом, Э. Олдрином и М. Коллинзом (США).
Современный этап развития космонавтики характеризуется активным освоением околоземного пространства и изучением планет солнечной системы космическими аппаратами.
Остановимся на интересующей автора проблеме математического описания движения изделий ракетно-космической техники (РКТ).
6.2. О развитии теории движений изделий РКТ
«Медленно, как ей и положено, ползёт стрелка указателя скорости. Удерживаю её на несколько секунд в одном положении – очередная «ступенька» – и снова мягким увеличением нажима на штурвал посылаю чуть-чуть вперёд.
И вдруг – будто огромные невидимые кувалды со страшной силой забарабанили по самолёту. Всё затряслось так, что приборы на доске передо мною стали невидимыми, как спицы вращающегося колеса. Я не мог видеть крыльев, но всем своим существом чувствовал, что они полощутся, как вымпелы на ветру Грохот хлопающих листов обшивки, выстрелы лопающихся заклёпок, треск силовых элементов конструкции сливались во всепоглощающий шум. Вот он, флаттер!»
Приведённая цитата заимствована из книги заслуженного лётчика-испытателя СССР, Героя Советского Союза, д-ра техн. наук М.Л. Галлая «Через невидимые барьеры», который провёл в тридцатые годы уникальные летные испытания на флаттер одного из отечественных самолётов.