志澄观察 | 钱学森科技创新思想的萌芽和形成（下）

来源：黄志澄新浪微博

    钱学森在加州理工学院期间，在力学的许多领域都做过开拓性的工作。力学发展的源泉来自社会发展的应用需求。实际上，美国当时的航空工业比起欧洲来并不领先。为了赢得战争，美国解决高速飞行的气动和防热两大难题迫在眉睫。这两个课题就是钱学森博士论文的研究方向。1939年钱学森以《可压缩流动和反作用推进》为题的论文获得加州理工学院航空和数学的双博士学位。论文的内容包括四个部分。前三个部分的工作都是冯·卡门建议做的，它们是：可压缩流体边界层；有攻角的旋成体的超声速绕流；应用恰普雷金变换求解二维亚声速流动。第四部分则是和同学马林纳合作研究的结果，内容是以逐次脉冲推进的探空火箭的飞行分析。 

▲钱学森在冯•卡门的家中

     钱学森论文的第一部份，提出并解决了飞机在高速飞行时会产生“热障”问题，提出了计算飞机在高速飞行时气动加热的新方法。钱学森论文的第三部份提出了计算高速飞行的机翼上的表面压力分布的方法。其中，提供计算机翼压力分布的空气压缩性修正的“卡门—钱学森”公式，在当时最为著名，并由此奠定了钱学森作为冯·卡门接班人的地位。

      由于发展高速飞行器的需要，钱学森在美国继续对高速空气动力学的发展，做出了许多杰出的贡献。20 世纪30年代开始迅速发展的高速空气动力学，为实现超声速飞行和高超声速飞行奠定了理论基础，指明了超声速和高超声速飞行器的发展方向。

     学森晚年回忆说:“卡门这个人, 对物理现象有敏锐的洞察力, 他总能抓住事物的本质，给你指出研究方向。”钱学森的导师冯·卡门又是这样评价钱学森先生：“他在许多数学问题上和我一起工作。我发现他非常富有想象力，他具有天赋的数学才智，并能成功地与准确洞察自然现象中的物理图象的非凡能力结合在一起。作为一个青年学生，他帮我提炼了我自己的某些思想，使一些很艰深的命题变得豁然开朗。”

    无疑，钱学森先生在高速空气动力学的创新贡献，让钱学森先生登上了当时世界工程科学的顶峰。可以毫不夸张地说，在钱学森之后，再也没有人能跨越钱学森对空气动力学这门学科的贡献。另一方面空气动力学的土壤，为钱学森先生提供了丰富的营养，如跨声速流动和高超声速流动的非线性和湍流的复杂性，在钱学森先生发展系统科学中都起到了作用。钱学森在空气动力学研究中培养的创新思维和研究问题的科学方法，为他在人生以后阶段的新贡献，打下了雄厚的基础。 

     在加州理工学院, 钱学森继承了冯 •卡门的科学统帅能力。钱学森毕业后留在加州理工学院担任助理研究员,36岁成为加州理工学院最年轻的教授之一。1949年, 年仅39岁的钱学森担任了加州理工学院喷气推进中心主任。这时钱学森出众的组织协调能力逐步展现出来。钱学森秘书涂元季总结道:“ 卡门教授教给钱学森从工程实践中提取理论研究对象的原则, 也教给他如何把理论应用到工程实践中去的方法。卡门是一位科学大师和科技帅才, 钱学森从他那里还学到了如何从大处和高处着眼, 分析问题, 提炼观点的能力。” 

    选择前瞻性的研究领域—火箭事业是钱学森成为科技帅才的关键一步。1936年美国的火箭研究刚刚起步。钱学森适时在加州理工学院投身于美国火箭的设计，并亲自参与早期的理论分析，积累了火箭设计和制造的经验。1943年, 美国军方委托加州理工学院负责研制火箭发动机推动的导弹。钱学森与马林纳在冯·卡门的指导下，一起提出了三种火箭(导弹)的设计方案。当年11月将研究报告《远程火箭评论与初步分析》连同冯·卡门的备忘录，一起递交给军方。这份报告为美国四、五十年代研制地对地导弹奠定了基础。冯 •卡门评价道： “钱学森作为加州理工学院火箭小组的元老, 曾在二次大战期间对美国的火箭研究作出了重大贡献。”

    钱学森更是在冯 •卡门的提携下，在二战结束后考察了德国、日本和美国火箭工业, 起草美国发展火箭的规划。1945年4 月底, 在冯 •卡门的推荐下, 钱学森作为美军上校, 与冯 •卡门一起前往欧洲去搜集德国军事科技机密和最新装备。1945年5月, 盟军发现了冯•卡门的老师—“ 空气动力学之父"普朗特领导的德国V - 2型火箭研制基地。钱学森他们在这里发现了从未见过的后掠翼模型、重达一千五百吨的三百万份秘密研究报告。这些德国飞机模型和大量实验数据资料，对于后来的美国发展航空和火箭工业，有着重要的价值。

    钱学森回到美国后, 又有机会走访美国各地科研机构、研究中心和实验室, 全面把握了美国航空事业的发展现状与潜力。1945年10月上旬到11月上旬, 钱学森受冯 •卡门的委托, 与其他美国科学家一起考察日本空气动力学和火箭导弹的研究状况，收集美国空军未来发展方向的资料。在冯 •卡门的领导下, 考察团于1945年12月完成了题为《面向新水平》的远景规划报告。这是代表当时世界水平的研究规划, 指导了整个20 世纪50 年代的美国航空航天发展。

    这份报告总结了欧洲各国特别是德国在这方面的研究成果与经验, 评估了美国空中力量将来可能利用的资源,提出超声速飞行的可能性,探讨了导弹发展对美国空军未来发展的影响。他们预见到发展多级火箭的可能性, 指出远程洲际导弹潜力巨大, 能携带原子武器从10000公里外袭击美国，评述了洲际导弹带来了作战方式和国际关系的改变。报告共9 卷, 钱学森执笔第3、4、6、7、8 卷。在这几部分中，钱学森翔实论述了高速空气动力学和超声速后掠翼的发展；固体与液体燃料火箭发动机、脉冲式喷气发动机、冲压式喷气发动机在火箭和导弹上的应用、以及核能作为飞行动力的可能性等多方面的研究成果和发展前景。

    在胸怀爱国理想的中国近代知识分子中，大多只是在美国或者欧洲一地学习和研究，只有钱学森既具有一流科研水平，又有参与美国火箭研究的实际经验，还有在世界范围内对火箭进行考察和参与制定美国航空航天规划的经历。这些因缘际会合在一起，才让钱学森有可能成为国际上难得的科技帅才。

    但是，我们应该清醒地认识到，当美国的火箭和导弹转向军事应用时，美国是不会重用具有爱国情怀的钱学森的。因此，只有当他回到祖国之后，才成为祖国导弹和航天事业的一代帅才。

     钱学森一生，长期从事技术科学的研究和应用，对技术科学的作用、地位以及它与社会的关系，有着全面而深刻的认识。早在1948年，他在《工程和工程科学》（Engineering and Engineering Science）一文中，就辩证地阐明了这两者的关系。他指出：“人们也许会说，在工业时代的开创时期，技术和科学研究就与工业发展有关，那么为什么今天把研究工作说得如此重要？这个问题的答案是，出于国内和国际竞争的需要，现代工业必须以越来越高的速度发展。做到如此高的发展速度，就必须大大强化研究工作，把基础科学的发现几乎马上用上去。也许，没有什么比把战时雷达和核能的发展作为例子更为突出的了。雷达技术和核能的成功开发为盟方取得第二次世界大战的胜利做出了重要贡献是公认的事实。短短数年，紧张的研究工作把基础物理学的发现，通过实用的工程，变成了战争武器的成功应用。这样，纯科学上的事实与工业应用间的距离就很短了。换句话说，长头发纯科学家和短头发工程师的差别其实很小，为了使工业得到发展，他们间的密切合作是不可少的。”他认为从科学原理到工程技术之间有一个桥梁，那就是工程科学，后来国内一般称为技术科学。他曾指出：“纯科学家与从事实用工作的工程师间密切合作的需要，产生了一个新的行业——工程研究家或工程科学家。他们成为纯粹科学和工程之间的桥梁。他们是将基础科学知识应用于工程问题的那些人。”

    在1949年新中国成立以后，钱学森就积极要求回国。在受到美国政府的阻扰和迫害之后，他在加州理工学院转向和军工技术较少联系的学术研究，完成了《物理力学》和《工程控制论》两本著作。

2001年12月9日，加州理工学院教授富兰克·马勃为钱学森展示加州理

工学院“杰出校友”奖章

     在20世纪40年代末和50年代初，钱学森在总结第二次世界大战后，迅速发展的控制与制导工程技术实践时，发现并提炼出了指导控制与制导系统设计的普遍性概念、原理和方法，从而创建了一门技术科学“工程控制论”。工程控制论从深度与广度上，推动了电子计算机技术、核能技术、航空航天技术和光电子技术等的发展。1952年5月2日，钱学森在给冯 •卡门的信中写道：“我预见当火箭载人旅行的那一天来临时，最大问题是火箭的控制问题，在高速飞行时，人工控制是不可能的，但计算机可使火箭瞬时改变方向。不仅在火箭技术方面，而且在整个工程技术领域，处处都需要控制系统。”由此可见，钱学森是最早预见到计算机和控制技术，将带来新的工业革命的科学家之一。

   1954年，钱学森在《工程控制论》的前言中写道：“技术科学的目的是把工程实际中所用的许多设计原则加以整理和总结，使之成为理论，因而也就把工程实际的各个不同领域的共同性显示出来，而且也有力地说明一些基本概念的重大作用。” 由此可见，《工程控制论》的发表，标志着他的技术科学思想已经形成。而钱学森的技术科学思想，将成为钱学森在发展系统科学和思维科学之后，提出的完整的科技创新理论的重要组成部分。

    在钱学森回国之后，受到了祖国和人民的信任和重托，让钱学森的科技事业，达到了人生的巅峰，并在晚年，将其科技创新思想，升华到理论的高度。