百年清华

一个时代的见证

郑哲敏（1947电机）

《钱学森文集(1938-1956海外学术文献)》(英文版)，钱学森著，上海交通大学学出版社2011年11月第一版，180.00元；

《钱学森文集(1938-1956海外学术文献)》(中文版)，钱学森著，李佩主编，上海交通大学学出版社2011年11月第一版，180.00元

《钱学森文集》中英文版（以下简称《文集》）由上海交通大学出版社出版了。其中英文版部分是王寿云（1938-1997）编的《钱学森文集1938－1956》（科学出版社，1991）在修订基础上的再版，中文版部分则是首次与读者见面。

钱学森先生留美时期正值航空工业从低速走向高速和航天工业起步的阶段，需要解决众多极具挑战性的科学问题。钱先生在这些相关领域内，提出和解决了一系列关键问题。文集刊载的论文既是这个进程的记录也是客观的见证。

飞机以及更广泛意义上的飞行器，从低速向高速发展首先遇到的是空气可压缩性对气动力的影响问题，即可压缩流体动力学问题。1939-1946年间，他发表的研究成果主要属于亚声速领域。同一时期他的研究还包括弹性力学中的壳体稳定性问题。

在流体力学领域，他的重要贡献有三个方面。首先，他研究了可压缩性带来的两个最基本的效应，即热效应和波阻效应，给出了波阻与摩阻的比例，指出这个比例会随马赫数增加，另外还给出了气流从对飞行体冷却转化为加热的判据。第二方面是他根据导师von Kármán的建议，研究了在较低马赫数条件下，可压缩性对机翼升力的影响。他所得到的用来对机翼升力作出修正的公式，后来被称为著名的Kármán-Tsien公式，它在当时直接对飞机的设计起了重要作用。第三，他在前人研究的基础上，研究并证实了，在轴对称和一般条件下，理想流体流动的局部超声速无旋流场中出现极限线后，必然出现冲击波，使全局性连续无旋流场不能继续存在。这时的来流马赫数被定义为上临界马赫数，以表明这是可能存在连续无旋流场的最高马赫数。之后在与郭永怀先生合作的论文里，提出了理想可压缩流体绕流流场的严格解法，定量地求得了上临界马赫数。流场中一旦出现冲击波，机翼的阻力马上就增加，上临界马赫数是与最小阻力相对应的，因此不论在理论上还是在工程师设计的理念中都是个重要的概念。

优化壳体结构是减轻飞行器的有效途径。在上世纪30年代，一个困扰航空结构工程师的严重问题是带曲率薄壳结构的稳定性，因为当时所有理论预测的失稳临界值都远大于实验值，这使工程师们陷于没有理论可遵循的困难境地。作为空气动力学的专家，在取得博士学位后，钱先生便把注意力转向这个弹性力学方面的难题，算是他出师后第一项独立的工作。在一连串论文中，他和von Kármán首先确认这是一个具有多个平衡位形的非线性问题，建立了相应的方程；结合实验观测，第一次用能量法得出了接近实验值的临界判据。由于对这类非线性失稳现象所做的深刻分析和计算方法的实用性，这一系列研究成果对当时的力学界和航空界产生了很大的影响。

上述研究成果为钱先生在国际力学界和航空界赢得很高的声誉。

同一时段，在1939年，钱先生与Malina发表了他在火箭方面第一篇论文。这是1937年他参加加州理工学院古根汉姆航空实验室火箭小组后所做研究工作的一个组成部分。文章讨论了探空火箭的飞行弹道问题，特别联系到一种利用固体燃料以脉冲方式驱动的发动机，因为这是当时火箭小组实验所采用的方案。文章根据所得的数据指出，探空火箭所能达到的理论高度远高于当时实际已经达到的高度，因此还有很大的潜力。文章的价值首先在于它对这个问题作了深入和全面的力学分析，包括重力场变化和气动阻力的影响，它对将当时尚属初创阶段的火箭技术放到科学基础之上起到了重要的示范引领作用。脉冲驱动当然不是本质因素，因为只要脉冲的间隙足够短，它与连续驱动并无区别，正如文章指出的那样，重要的是燃料的比冲。

细心的读者会注意到，从1946年开始，《文集》中钱先生的著作在风格上有了引人注意的变化。钱先生除了继续在许多方面进行专题性质的前沿研究之外，站在更高的层次，以更广阔视野，极富前瞻性、战略性、开创性和预见性地发表了一系列论文。这包括，《原子能》(1946)，《超级空气动力学:稀薄空气动力学》（1946），《工程和工程科学）（1948），《火箭和喷气推进》（1950）和《古根汉姆喷气推进中心的教学与科研》（1950），《物理力学，工程科学的新领域》(1953)，以及一系列有关火箭控制和导航方面的论文。关于控制和导航的一批论文便是随后发表的著名专著《工程控制论》（1954）的前奏。

这些综合性论文始终体现一种指导思想，那就是钱先生所倡导的工程科学思想。这既是他对导师Kármán所主张的现代应用力学精神的继承和发扬，也是他自己科研和教学实践经验的总结。概括地说，钱先生认为科学包含两个部分，即自然科学和工程科学，前者是后者的基础，后者是科学与工程间的桥梁；两者的任务不同，前者的目标是发现和建立自然界的基本规律，后者的目标是建立将自然科学的基本规律转化为工程师们可以用来解决复杂条件下工程问题的科学理论。两者既有分工又相互依存。工程科学不能满足于帮助解决产业界和工程师（以及其他应用领域）当前所面临的任务，更为主要的是要有预见和超前性，为产业的发展开辟道路。

钱先生之所以能做出这些贡献，除了有导师和加州理工学院的优良环境的帮助外，时代背景也是重要因素。上世纪上半叶是飞机从螺旋桨转向喷气推进的时代；是火箭技术从科幻走向科学，人类努力实现航天梦的时代；是利用电子技术实现数字计算机的时代；是成功研制原子武器和实现原子能利用的时代；是自然科学基础研究展现实用价值的时代；是大批科学家通过战时定向、有组织、有计划的工程研究获得丰富经验而重返校园的时代；也是美国科学和工程教育酝酿革新的时代。钱先生也是这个时代推动上述进步的科学家队伍中的一员。另外，钱先生是欧洲战事行将结束，对德国航空和火箭发展状况进行全面、实地考察的美国军方代表团的成员，随即又参与为美国空军提供的报告《迈向新高度》(Toward New Horizons)的撰写。这份多达12卷的巨著，被认为对战后美国战略空军的发展具有重要价值。这些经历无疑也对钱先生形成工程科学思想以及掌握从总体把握问题和判断发展方向与重点的能力有重要作用。

我相信不仅力学工作者可以从阅读《文集》中获益，其他领域的科学家、相关领域的工程师、教育家、科学史和工程技术史专家、科学和技术管理专家等也都可以从中得到有益的知识。

（本文作者为中国工程院院士、中国科学院院士）