Развитие техники от простейших орудий труда до космонавтики

Даже краткий обзор истории развития техники показывает поразительный факт лавинообразного развития современных науки и техники в масштабах истории всего человечества.

Если на переход человека от каменных орудий труда к металлу занял около 2-х миллионов лет; усовершенствование колеса от сплошного деревянного до колеса, имеющего ступицу, спицы и обод заняло около трех тысяч лет, то за последние «каких-то» 150 лет транспорт изменился от лошадей и деревянных кораблей до современного состояния, о чём, кстати, красноречиво пел Леонид Утёсов в песне «Только глянет над Москвою утро вешнее …».

Причинами этого явления является целый комплекс факторов, основные из которых следующие:

1) к середине XX века сложились теоретические модели, адекватно описывающие основные известные человеку процессы, происходящие в природе;

2) неразрывно с развитием теории развивался инструментарий исследования природных процессов и к середине XX века достиг высочайшего уровня;

3) число сообществ (научно-производственные объединения), вооруженных теорией и инструментарием и производящих новые знания и технику в условиях противоборства различных политических систем необычайно возросло.

Два последних фактора являются производными от первого, так как только знание является началом, отправной точкой для создания нового.

Представляет интерес история развития «адекватного» мысленного взгляда на материальный мир, каковым является история развития и создания теоретических моделей основных природных процессов: взаимодействия тел различной природы (твердых, жидких и газообразных тел, плазмы); а также структуры и внутренних взаимодействий вещества. Эта тема не является предметом данной работы, однако некоторые положения необходимо рассмотреть.

В частности, известны претензии современных «прочнистов» к Микеланджело, который, наблюдая за процессом откалывания частей своих скульптур, сделал предположение о том, что продольные напряжения в сечении балки распределяются так, как показано на рисунке 1, в то время как реально они распределяются так, как показано на рисунке 2. Тем самым он существенно задержал развитие дисциплины «Сопротивление материалов».

Рисунок 1. Рисунок 2.

История развития теоретического описания материального мира и процессов, происходящих в нём, неразрывно связана с историей развития техники и не только интересна, но сложна и драматична.

Опираясь на знание, полученное в теории, человек способен создавать то, что не существует в налично данной природной и социальной действительности, но возможно с точки зрения открытых теорией объективных законов [1].

Вообще процесс движения к истине, к познанию человеком мира, своего места в нём и самого себя, наверное, будет длиться пока человек существует. Не случайно древнегреческий философ Сократ говорил: "Я знаю только то, что я ничего не знаю". Тем не менее, факт совершенствования мысленной модели как мира, так и его частей, неоспорим, т.е. мир познаваем и даже может преобразовываться человеком в соответствии с его волей и возможностями, материальной и духовной культурой. Аспект духовной культуры оказался непредсказуемо важным, так как планете и её биосфере реально угрожают антропогенные (вызванные человеческой деятельностью) катастрофы.

Итак, первая теоретическая модель мира, созданная человеком созерцающим, объясняла всё «божественным» происхождением. Однако по мере того как приобретался опыт выживания и совершенствовались мысленные конструкции, что-то удавалось объяснять, пока на самом низком уровне. Например, после создания опытным путем оперения стрел можно было сказать: «Стрела лучше поражает в цель, потому что на другом конце неё есть оперение, а наконечник тяжелее и острее».

В античную эпоху философы высказали мысль о том, что мир весь целиком познать нельзя, но можно по частям. В результате другие философы разделили мир на разные области исследования и назвали эти области науками. Это был важнейший шаг на пути поиска истины, адекватного взгляда на мир. Создавалось бесчисленное множество теорий, достоинства которых наполняли науки жизненной силой. Однако прежде чем произошло появление первой достаточно строгой в современном понимании теории, выполняющейся в заданных определённых рамках и не зависящей от политических систем и т.п., прошло более двух тысяч лет. Логически мыслящие люди упражнялись и перебирали огромное число вариантов построения умозрительных конструкций, о чём красноречиво говорит известное ироничное высказывание Декарта: «Нельзя представить себе ничего настолько абсурдного или неправдоподобного, чтобы не быть доказанным тем или иным философом». Однако к строгой в современном понимании теории эти слова, конечно, не имеют отношения.

Но в первую очередь, чем осознанно или неосознанно занялись люди это создание «Теории теорий», т.е. познаваем ли мир вообще; правилами и методами как надо познавать, исследовать объект; логические конструкции; разработка формального (т.е. независимого от чего бы то ни было) языка математики, которым можно описывать всё. Большинство из этих вопросов рассматривает «Теория познания».

Теория познания (гносеология, эпистемология) - раздел философии, в котором изучаются проблемы природы познания и его возможностей, отношения знания к реальности, исследуются всеобщие предпосылки познания, выявляются условия его достоверности и истинности. В отличие от психологии, физиологии высшей нервной деятельности и других наук, теория познания как философская дисциплина анализирует не индивидуальные, функционирующие в психике механизмы, позволяющие тому или иному субъекту прийти к определённому познавательному результату, а всеобщие основания, дающие возможность рассматривать этот результат как знание, выражающее реальное, истинное положение вещей … Ставилась задача отыскания абсолютно достоверного знания, которое было бы исходным пунктом и вместе с тем предельным основанием всей остальной совокупности знаний по степени их ценности… Теория познания определяется тем, что её развитие осуществляется на основе … тезиса о единстве диалектики, логики и теории познания [1].

Первым и главным учителем человека в теории познания была и остаётся сама природа, так как при наблюдении за нею пытливый ум обнаруживает закономерности, которые затем формализует в законы, математические зависимости и реализует в искусственные произведения (художественные, математические, технические и т.д.).

Приведём несколько примеров выявления истины.

«…Замечательно, что колебания и волны независимо от их природы описываются количественно одними и теми же уравнениями!…

О симметрии. Мы уже знаем, что в явлении электромагнитной индукции Максвелл усмотрел порождение вихревого электрического поля переменным магнитным полем. Следующий и уже последний шаг в открытии основных свойств электромагнитного поля был им сделан без какой либо опоры на эксперимент. Точно не известно, какими соображениями руководствовался при этом Максвелл. Это могли быть те же соображения, которые заставили строителей Аничкова моста в Санкт-Петербурге поставить фигуры укрощаемых лошадей по обе стороны дороги; те же соображения, которые не позволяют вам перегружать одну половину комнаты за счёт другой. Это не что иное, как соображения симметрии, но только симметрии не в узком геометрическом смысле, а понимаемой более широко.

Свойства симметрии глубоко заложены в природе, и, по-видимому, именно поэтому симметрия воспринимается нами как необходимая гармония окружающего мира. В электромагнитных явлениях, конечно, речь идёт не о той внешней красоте и изяществе, которая может быть присуща тому, что мы наблюдем непосредственно с помощью органов чувств. Здесь речь может идти о той внутренней стройности, гармоничности и единстве, которую открывает природа перед человеком, стремящемся постичь её изначальные законы. Чувствуя эту гармонию в природе человек, естественно, стремится усмотреть её и там, где факты пока ещё не демонстрируют её с полной наглядностью…» [4].

Одним из удивительных отражений симметрии в природе является изоморфизм (подобие строения и математического описания) звездных и планетных систем к структуре атома. Это явление было обнаружено и показано в работах Ф.А. Гареева [5], и Б.И. Рабиновича [6], когда он исследовал динамику планетного вещества для объяснения сложной структуры колец планеты Сатурн.

Ярким примером поиска закономерности (необходимой для создания полуэмпирической теории обтекания жидкостью и газом острых твердых тел) на основе логического сопоставления различных процессов (это также одно из проявлений симметрии в природе) продемонстрировал В.А. Бужинский [7].

« … Из сделанного обзора следует, что применение существующих теоретических методов для определения сопротивления даже простых пластин и панелей, совершающих колебания в жидкости, и тем более для исследования колебаний жидкости в баках с демпфирующими перегородками сопряжено с практически непреодолимыми трудностями. Все попытки получить асимптотическое решение уравнений Навье-Стокса путём разложения в ряд по числам Рейнольдса и Келегана-Карпентера окончились безрезультатно… Общее теоретическое решение проблемы совершено другим путём было получено после знакомства с небольшой книгой Работнова по линейной механике разрушения… Трещина в упругом теле и пластина в идеальной несжимаемой жидкости имеют не только очевидное внешнее сходство… С математической точки зрения решения этих задач имеют одинаковые особенности в окрестности острых кромок областей. Возникла идея перенесения методов теории механики деформируемого твёрдого тела в область гидродинамики при рассмотрении колебаний пластин в несжимаемой маловязкой жидкости. Эта идея оказалась плодотворной …»

В предисловии к учебнику [8] авторы изложили свои взгляды, по которым можно оценить степень понимания предмета человеком-исследователем: «Степень глубины физического понимания характеризуется умением применять для анализа различных явлений наиболее общие, фундаментальные законы. При анализе конкретных примеров и задач в разных разделах книги показывается, как, например, применение закона сохранения энергии позволяет решить задачу проще, взглянуть на неё с более общих позиций и, что особенно важно, часто даёт возможность, найти ответ на некоторые вопросы, касающиеся тех явлений, для которых нам не известны описывающие их конкретные законы. Для глубокого понимания физики необходимо чёткое осознание степени общности различных физических законов, границ их применимости, их места в общей физической картине мира.

Книга не перегружена формулами. Там, где это возможно и не идёт в ущерб строгости изложения, авторы стремились максимально использовать качественные соображения. По мнению одного из величайших физиков Э. Ферми, «…физическая сущность действительно понимаемого вопроса может быть объяснена без помощи сложных формул». В умении объяснить сущность вопроса «на пальцах» и заключается истинное понимание уравнений, выражающих физические законы».

Несмотря на то, что приведены современные примеры проникновения в тайны природы общий подход, видимо, был всегда один и тот же.

На сегодняшний день, прежде чем некоторую логическую систему умозаключений научное сообщество признает, как строгую теорию, она должна пройти комплексную проверку, как с точки зрения полномасштабного экспериментального подтверждения, так и с точки зрения отсутствия логической противоречивости и согласованности с имеющимся общепризнанным научно-техническим материалом.

5.1. Гипотеза - предшественник теории

Предшественником строгой теории является гипотеза. Необходимость в гипотезе возникает, как правило, в проблемной ситуации, когда обнаруживаются факты, выходящие за пределы возможностей объяснения существующей теорией.

Гипотеза (греч. hypothesis - основание, предположение, от hypo - под, внизу и thesis - положение то, что лежит в основе, - причина или сущность), научное допущение или предположение, истинное значение которого не определено.

И сама гипотеза не возникает сразу, а проходит определенные стадии формирования. Первоначально это весьма предварительное предположение, догадка, вытекающая из наблюдения новых явлений, но это еще не гипотеза в собственном смысле слова.

Догадка может носить зыбкий, неустойчивый характер, подвергаться модификациям, переборам различных вариантов допущений.

В результате формируется сама гипотеза как наиболее вероятное предположение. Затем осуществляется проверка сделанных допущений путем наблюдения, эксперимента, что или подтверждает гипотезу, поднимая ее на пьедестал теории или опровергает ее целиком либо частично. Гипотеза может не только подтверждается или опровергается, но и уточняться или исправляться.

В части верификации (подтверждения) гипотезы исключительно важным методом научного исследования в наши дни становится метод моделирования, который предполагает изучение объекта по его модели.

Особенность моделирования заключается в том, что оно осуществляется и на эмпирическом и на теоретическом уровне познания и при переходе одного уровня к другому. Моделирование имеет своим объективным основанием принцип отражения, подобия, аналогию и относительную самостоятельность формы.

Моделью называется некоторая материальная или мысленная система, которая сходна с объектом исследования и способна заменять его в познавательном процессе.

Когда модель имеет с оригиналом одинаковую физическую природу, то мы имеем дело с физическим моделированием (физическая модель - сходство физических свойств).

Когда явление описывается системой уравнений, то такое моделирование называется математическим. Знаково-логическим моделирование называется, если некоторые стороны моделируемого объекта мы представляем в виде формальной системы с помощью знаков, которая затем изучается с целью переноса полученных сведений на сам моделируемый объект.

Обоснование и доказательство гипотезы, прежде чем она переходит ранг теории, осуществляются путем анализа накопленного знания, сопоставления его с уже известными эмпирическими фактами, с установленными новыми фактами и с теми фактами, которые прогнозируются и могут быть установлены в будущем.

Кроме того, гипотеза часто имеет вспомогательное, но исключительно большое эвристическое значение; она помогает делать открытия. Как правило, построение гипотез - наиболее трудная часть работы теоретической мысли.

До сих пор не найдено ни одного метода, который сделал бы возможным выдвижение гипотез по определенным правилам - это порождения интуиции ученого, его воображения, а иногда фантазии. Здесь уместно вспомнить ироничное, но не лишённое «рационального зерна», высказывание Нильса Бора: «Теория должна быть достаточно безумной, чтобы быть правильной».

Часто, в том числе и в литературе можно встретить выражение типа теория оказалась неправильной, теория «лопнула» и т.д.

Однако к строгой теории в современном понимании такие высказывания не применимы, потому что в такой теории всегда оговариваются рамки её действия (в допущениях) и в этих рамках основные положения доказываются и экспериментально и логически.

Т.е. теория, к которой аргументировано применено выражение, что она «лопнула» на самом деле является либо надуманной лжетеорией, либо неудачной гипотезой.

Первая действительно строгая теория, описывающая движение механических объектов в известных рамках - «Механика Ньютона», явилась беспрецедентным толчком не только для технического прогресса, но и для дальнейшего совершенствования теорий в других областях знания.

5.2. Теория - высшая форма организации научного знания

Теория (греч. theoria, от theoreo -- 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…

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.

Явление, получившее это звучное название, представляет собой одну из разновидностей динамической неустойчивости, в данном случае - динамическую неустойчивость крыла в потоке воздуха, наступающую при превышении некоторой критической скорости полета, когда частота срывающихся с крыла вихрей совпадает с собственной частотой его колебаний.

Теория этого сложного вопроса, разработанная академиком М.В. Келдышем, проф. Е.П. Гроссманом и многими другими отечественными и зарубежными учеными, представляет собой замечательный пример проникновения в «связь явлений» [11].

Приведенный эпизод успешно завершившейся борьбы человека с грозным явлением - резонансом (совпадения собственной и вынуждающей частот) является одним из многочисленных эпизодов покорения природной стихии с помощью познания её законов и стремления человека «за светом и пространством», как выразился К.Э. Циолковский (см. эпиграф).

Чтобы проследить эту череду небольших и крупных побед на пути достижения стабильного движения изделий РКТ воспользуемся книгой [12]. Часть этой книги построена в виде вопросов автора к профессору Б.И. Рабиновичу, который относится к плеяде учёных внёсших существенный вклад в достижения отечественной космонавтики, перечисленные выше и многие другие.

«(Вопрос проф. Рабиновичу. - прим. автора) Ещё в 50-е годы при создании первой отечественной баллистической ракеты Р-1 возникла проблема динамической неустойчивости, обусловленной колебаниями жидкого топлива («Fuel sloshing» по американской терминологии) в баках. То же явление наблюдалось и на Р-2. Над решением этой проблемы, в том числе и для ракет, созданных в последующие десятилетия, бились многие научные коллективы. Когда она, а также проблема влияния упругости элементов конструкции ракет на их устойчивость, впервые дали о себе знать? Сыграли ли в этом какую-либо роль трофейные немецкие материалы (ведь не секрет, что и советском и в американском ракетостроении присутствует «немецкий след»)?

(Ответы на этот и др. вопросы проф. Рабиновича. - прим. автора) Решение тонких задач динамики, о которых Вы говорите, действительно потребовало долгих лет работы и усилий целых коллективов. Однако сама постановка задач динамики ракет как деформируемых тел, с учётом, в первую очередь, подвижности жидких компонентов топлива в баках, и первые строгие решения этих задач, определившие направление всех последующих исследований, принадлежат Г.С. Нариманову. Он внёс фундаментальный вклад в решение как линейных, так и нелинейных задач динамики ракет и космических аппаратов (КА) с жидким топливом, и наметил пути учёта в соответствующих математических моделях и такого фактора, упругость элементов конструкции. Что касается влияния подвижности компонентов топлива в баках на динамику и устойчивость ракеты, то эта проблема оказалась чрезвычайно актуальной … и во многом определила направление моей исследовательской деятельности на много лет вперёд. Нариманов был первым, кто высказал предположение, что причиной незатухающих колебаний на частоте порядка 1 Гц, наблюдавшихся при каждом запуске ракет Р-1, является подвижность жидкости, находящейся в баках. Мысль эта, конечно, возникла не сразу, а после того, как были исчерпаны другие возможности объяснить несовпадение результатов математического моделирования с картиной того, что происходило в полёте, которую мы систематически наблюдали на плёнках телеметрии…

Анализ телеметрии, относившийся к пускам трофейных ракет А-4 (немецкие «Фау-2». - прим. авт.), показал точно такие же колебания, так что они были явно органическим свойством данной конструкции, а не следствием каких-то индивидуальных Р-1…

Первый успех был достигнут, когда Нариманов, при вполне оправданных допущениях (кинематическое граничное условие на свободной поверхности жидкости, отождествлявшее её с плоскостью, совершающей малые угловые колебания), получил впервые приближённую математическую модель ракеты, учитывающую подвижность жидкости в баках…

Для всех участников группы предложенная Наримановым новая математическая модель явилась мощным стимулом для продолжения работы в том же направлении. Вдохновлённый работой Георгия Степановича, я поставил перед собой задачу попытаться согласовать наблюдаемую в полёте картину с законами механики, исходя из решения обратной задачи динамики: по заданному движению системы найти действующие на неё силы. Мне удалось решить эту задачу в строгой постановке - с динамическим граничным условием на свободной поверхности жидкости, т.е. с полным учётом волновых движений.

…Соответствующие дополнительные силы, которые мы теперь учли, превышали сумму всех прочих сил (аэродинамических и управляющих), которые принимались во внимание до этого. Стало понятным, почему баланс сил у нас раньше не сходился… Нариманов на новом уровне вернулся к той же проблеме и впервые получил адекватный инструмент для решения прямой задачи динамики, а именно полную математическую модель системы «корпус - жидкость в баках».Результаты моделирования оказались следующими: практически точно в той области активного участка, на котором наблюдались в полёте незатухающие колебания, система оказалась динамически неустойчивой «в малом», причём на частотах, очень близких к экспериментальным, а вне этой области - устойчивой. На основе этой работы я защитил кандидатскую диссертацию.

Это был настоящий триумф, который был должным образом оценен специалистами, но не вызвал особого энтузиазма в некоторых других сферах, общее отношение которых к выявленному новому эффекту сводилось к формуле: «ну и что?». Смысл этого «ну и что?» был в том, что ракета летает , и слава Богу! Колебания имеют сравнительно малую амплитуду и никому не мешают.

От наших предупреждений, что на новых объектах всё может оказаться значительно хуже и с этим явлением надо бороться уже сейчас, просто отмахнулись. Это «ну и что?» было потом оплачено дорогой ценой.

В отношении «немецкого следа» - никаких намёков на то, что разработчики ракеты А-4 и её модификаций знали о влиянии жидкого заполнения (не говоря уж об упругости корпуса) на динамику и как-то эти факторы учитывали, мы в трофейных материалах не обнаружили, несмотря на их тщательное изучение.

Ракета Р-2 была уже полностью отечественная баллистическая ракета с дальностью полёта, вдвое превышающей аналогичную характеристику для Р-1. Создание ракеты Р-2 стало в каком-то смысле экзаменом на зрелость всех многочисленных коллективов разработчиков, к ней причастных.

Получив много лет спустя доступ к работам, проводимся в США, мы с удивлением обнаружили, что американские учёные и разработчики шли путём, поразительно близким к нашему…

Дальнейшее совершенствование теории динамики баллистических ракет связано с именем М.С. Хитрика (прим. авт.). Именно он обратил моё внимание на две актуальные проблемы, решение которых потребовало интенсивной работы, которая началась в ИМ АН УССР и продолжалась в течение ряда лет в НИИ-88 после моего перехода туда.

· Учёт реальной геометрии баков (цилиндрические и конические обечайки, полусферические днища, чечевицеобразные, сферические и тороидальные конфигурации и т.д.). В то время мы умели решать гидродинамические задачи только для баков в форме прямых круговых цилиндров с плоскими днищами.

· Учёт вязкости жидкости, т.е. соответствующее уточнение традиционных математических моделей, в которых компоненты топлива в диапазоне реальных для рассматриваемой проблемы чисел Рейнольдса считались идеальной жидкостью.

Он первым применил для решения задачи о свободных колебаниях жидкости в полости вращения вариационный метод Ритца-Трефтца и сумел получить с вполне приемлемой для техники точностью решение для сферического бака.

И.А. Луковский вырос в крупного специалиста в области динамики твердых тел с жидким заполнением, решил целый ряд сложных задач, включая нелинейные, обобщив результаты Г.С. Нариманова. Он успешно защитил сначала кандидатскую, а потом докторскую диссертацию и был избран членом-корреспондентом АН УССР.

С благодарностью вспоминаю климат, который существовал в ИМ АН УССР, особенно в сфере деятельности И.М. Рапопорта, способствовавший творческой активности сотрудников.

Судьба ракеты Р-16 поначалу сложилась трагически. При подготовке первому запуску на стартовой площадке произошла тяжелейшая катастрофа, унесшая более сотни человеческих жизней (включая Главнокомандующего ракетными войсками стратегического назначения Главного маршала артиллерии М.И. Неделина). Это случилось 24 октября 1960 года уже на новом полигоне, не носившем ещё тогда названия Байконур. Не буду вдаваться в причины катастрофы, не имевшей отношения к рассматриваемым проблемам (они теперь подробно описаны в литературе). Речь пойдёт о первом лётном испытании ракеты с восстановленной стартовой позиции, когда потеряла устойчивость вторая ступень (первая отработала успешно, и это, само по себе, было уже большим достижением). Динамики НИИ-88, среди которых был и Ваш собеседник, едва взглянув на телеметрическую информацию, пришли к выводу, что причиной неустойчивости второй ступени, приведшей к потере объекта, было пренебрежение подвижностью жидкости в баках при проектировании системы управления (вспомните высказывание «ну и что?» по отношению к колебаниям, отмечавшимся на первых баллистических ракетах Р-1 и Р-2). Мы увидели на плёнках телеметрии классическую картину колебаний с нарастающей амплитудой в каналах тангажа и рыскания на частоте порядка 1,5 Гц, близкой к частоте собственных колебаний жидкости в баках.

Интересно, что полная потеря устойчивости объекта наступала не в каналах тангажа и рыскания, а в канале крена после достижения предельно допустимого угла прокачки гироскопов, причём на значительно более низкой частоте - порядка 0,3?0,5 Гц, характерной для этого канала. Здесь явно имело место то, что на управленческом сленге называется потерей устойчивости из-за забивания канала высокочастотной помехой. Следует подчеркнуть, что амплитуда колебаний была в несколько раз выше, чем наблюдавшаяся на ракетах Р-1, Р-2, Р-12 и других известных нам объектах. Природа явно преподнесла нам суровый урок…

Игорь Сидоров со своим коллективом обнаружил, исследуя математическую модель второй ступени Р-16 с учётом конкретного закона управления, новое явление, которое мы потом назвали «нестабилизируемостью», - невозможность обеспечить в рассматриваемом случае динамическую устойчивость замкнутой системы «корпус-жидкость-автомат стабилизации». Важную роль в этом необычном свойстве системы играло наличие именно двух топливных баков с почти равными частотами первого антисимметричного тона собственных колебаний жидкости.

Г.Н. Микишев напал к этому времени на идею механического демпфера колебаний жидкости в баке, имеющего форму нескольких радиальных рёбер, ширина которых составляла 20?30% радиуса цилиндрического бака. Идея оказалась чрезвычайно плодотворной и, главное, допускавшей простую конструктивную реализацию. Результаты превзошли все ожидания и подтвердили правильность как диагноза, так и прописанного средства.

Никакой самый искусный теоретический расчёт не может, к сожалению, даже в настоящее время определить динамические характеристики корпуса ракеты или КА с необходимой полнотой и точностью, потребными для проектирования системы управления. Конструктивно подобные модели (КПМ) доставляют в этом смысле бесценную информацию. Сами эти модели являются настоящими шедеврами инженерного искусства. В них воспроизводится не только материал и геометрия элементов конструкции реального объекта, но и целый ряд тонкостей технологии, что обеспечивает в совокупности максимально возможное удовлетворение критериев подобия. Надо сказать, что сама теория подобия применительно к КПМ является сложной самостоятельной наукой, в развитие которой внёс большой личный вклад Г.Н. Микишев. Модели таких сверхтяжёлых носителей как Сатурн-5 и Н-1, выполненные в масштабе 1:10, имели размеры порядка 10 м в высоту и больше метра в диаметре, что сопоставимо с размерами наших первых баллистических ракет Р-1 и Р-2!

Цикл динамических испытаний КПМ занимал несколько месяцев, а для наиболее сложных объектов доходил до года. Следует подчеркнуть, что есть важный класс параметров, которые вообще практически не поддаются расчёту, а могут быть определены только экспериментально - это коэффициенты демпфирования, соответствующие доминантным формам собственных колебаний конструкции.

Не следует, однако, думать, что сами по себе динамические испытания доставляют исчерпывающую информацию, необходимую для проектирования сложных объектов. Адекватная расшифровка и интерпретация результатов динамических испытаний КПМ невозможна без непрерывного проведения обширного комплекса теоретических исследований».

Рамки данной работы, к сожалению, не позволяют достаточно полно осветить основные проблемы, логику их возникновения и решения, замечательные имена отечественных учёных, посвятивших себя этой деятельности. Многие достижения отечественной космонавтики существенно опередили аналогичные исследования учёных и разработчиков других стран.

Заключение

Изучение и знание истории техники (впрочем, как и любой другой истории) в немалой степени формирует в человеке пространство его взглядов на мир, поэтому необходимо стремиться к максимальной объективности этой очень важной информации.

В результате проведённого исторического обзора развития как техники, так и частично методологии получения теоретических знаний, необходимых для такого развития, в общих чертах сформирована картина создания материальной культуры человечества.

Почти очевидным является факт того, что практически нет предела проникновения человека в тайны природы, на основе чего создаются новые технологии, инструментарий исследований.

Не исключено, что на очереди стоит реализация фантастических идей «искусственного интеллекта», «машины времени» и мгновенного перемещения в пространстве.

Сегодня для учёных уже является аксиомой утверждение, что искривлённое пространство, замкнутое в гравитационный коллапс, образует т.н. «сферу Шварцшильда», или «чёрную дыру» в которой может быть заключена вся вселенная. Академик А.Д. Сахаров, как и Эйнштейн, многие свои работы посвятил космологии. Но такие его работы, как «Многолистная модель Вселенной» (читай как наличие многих измерений пространства, - авт.), опубликованная в 1969 г. очень малым тиражом, и другие статьи, посвящённые свойствам искривлённого пространства, практически недоступны широкому кругу читателей. И немало учёных утверждает, что возможно перемещение в пространстве не покидая Земли, «проколов» пространства мощным энергетическим воздействием [2].

Те возможности науки и техники, которыми обладает и будет обладать человечество в будущем, накладывают на него большую ответственность. Это обстоятельство, по мнению автора, делает необходимым разработку как комплекса правил и ограничений по использованию важнейших достижений, так и духовной философии для людей имеющих доступ к стратегическим знаниям, подобно тому, как подавляющую часть времени обучения и воспитания буддистских монахов, владеющих знанием боевых искусств, занимает духовное совершенствование.

Страницы: 1, 2