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 hypó – под, внизу и thésis – 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. 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…

Чувствуя единство природы Гёте в одном из своих произведений написал: «Теория сама по себе ни к чему. Она полезна лишь поскольку даёт нам веру в связь явлений».

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»

К.Э. Циолковский

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 XVI века.

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.