百年清華

一個時代的見證

鄭哲敏（1947電機）

《錢學森文集(1938-1956海外學術文獻)》(英文版)，錢學森著，上海交通大學學出版社2011年11月第一版，180.00元；

《錢學森文集(1938-1956海外學術文獻)》(中文版)，錢學森著，李佩主編，上海交通大學學出版社2011年11月第一版🙆🏻‍♂️，180.00元

《錢學森文集》中英文版（以下簡稱《文集》）由上海交通大學出版社出版了⛹🏿‍♂️。其中英文版部分是王壽雲（1938-1997）編的《錢學森文集1938－1956》（科學出版社，1991）在修訂基礎上的再版，中文版部分則是首次與讀者見面。

錢學森先生留美時期正值航空工業從低速走向高速和航天工業起步的階段💥，需要解決眾多極具挑戰性的科學問題。錢先生在這些相關領域內，提出和解決了一系列關鍵問題。文集刊載的論文既是這個進程的記錄也是客觀的見證。

飛機以及更廣泛意義上的飛行器，從低速向高速發展首先遇到的是空氣可壓縮性對氣動力的影響問題，即可壓縮流體動力學問題。1939-1946年間𓀏，他發表的研究成果主要屬於亞聲速領域。同一時期他的研究還包括彈性力學中的殼體穩定性問題。

在流體力學領域✊🏿，他的重要貢獻有三個方面🩻。首先📜，他研究了可壓縮性帶來的兩個最基本的效應，即熱效應和波阻效應，給出了波阻與摩阻的比例𓀀，指出這個比例會隨馬赫數增加🛜，另外還給出了氣流從對飛行體冷卻轉化為加熱的判據⛵️。第二方面是他根據導師von Kármán的建議，研究了在較低馬赫數條件下，可壓縮性對機翼升力的影響𓀋。他所得到的用來對機翼升力作出修正的公式，後來被稱為著名的Kármán-Tsien公式，它在當時直接對飛機的設計起了重要作用。第三，他在前人研究的基礎上🌁👏🏻，研究並證實了🏞，在軸對稱和一般條件下🩹，理想流體流動的局部超聲速無旋流場中出現極限線後，必然出現沖擊波，使全局性連續無旋流場不能繼續存在🚆。這時的來流馬赫數被定義為上臨界馬赫數，以表明這是可能存在連續無旋流場的最高馬赫數🎤🙇🏿‍♀️。之後在與郭永懷先生合作的論文裏，提出了理想可壓縮流體繞流流場的嚴格解法🧑🏽‍🔬，定量地求得了上臨界馬赫數。流場中一旦出現沖擊波，機翼的阻力馬上就增加，上臨界馬赫數是與最小阻力相對應的，因此不論在理論上還是在工程師設計的理念中都是個重要的概念。

優化殼體結構是減輕飛行器的有效途徑。在上世紀30年代，一個困擾航空結構工程師的嚴重問題是帶曲率薄殼結構的穩定性，因為當時所有理論預測的失穩臨界值都遠大於實驗值，這使工程師們陷於沒有理論可遵循的困難境地。作為空氣動力學的專家👨🏻‍🦯‍➡️，在取得博士學位後，錢先生便把註意力轉向這個彈性力學方面的難題🤚🏽，算是他出師後第一項獨立的工作。在一連串論文中，他和von Kármán首先確認這是一個具有多個平衡位形的非線性問題，建立了相應的方程💅；結合實驗觀測，第一次用能量法得出了接近實驗值的臨界判據。由於對這類非線性失穩現象所做的深刻分析和計算方法的實用性，這一系列研究成果對當時的力學界和航空界產生了很大的影響。

上述研究成果為錢先生在國際力學界和航空界贏得很高的聲譽。

同一時段，在1939年，錢先生與Malina發表了他在火箭方面第一篇論文。這是1937年他參加加州理工學院古根漢姆航空實驗室火箭小組後所做研究工作的一個組成部分。文章討論了探空火箭的飛行彈道問題🫂，特別聯系到一種利用固體燃料以脈沖方式驅動的發動機，因為這是當時火箭小組實驗所采用的方案。文章根據所得的數據指出，探空火箭所能達到的理論高度遠高於當時實際已經達到的高度，因此還有很大的潛力。文章的價值首先在於它對這個問題作了深入和全面的力學分析🏈，包括重力場變化和氣動阻力的影響，它對將當時尚屬初創階段的火箭技術放到科學基礎之上起到了重要的示範引領作用😙。脈沖驅動當然不是本質因素🕯，因為只要脈沖的間隙足夠短，它與連續驅動並無區別🦄，正如文章指出的那樣，重要的是燃料的比沖。

細心的讀者會註意到🍩，從1946年開始，《文集》中錢先生的著作在風格上有了引人註意的變化🧆。錢先生除了繼續在許多方面進行專題性質的前沿研究之外，站在更高的層次，以更廣闊視野☯️，極富前瞻性、戰略性🏺、開創性和預見性地發表了一系列論文。這包括，《原子能》(1946)〰️，《超級空氣動力學:稀薄空氣動力學》（1946）🧑‍🦽，《工程和工程科學）（1948）8️⃣，《火箭和噴氣推進》（1950）和《古根漢姆噴氣推進中心的教學與科研》（1950），《物理力學𓀉🫢，工程科學的新領域》(1953)，以及一系列有關火箭控製和導航方面的論文。關於控製和導航的一批論文便是隨後發表的著名專著《工程控製論》（1954）的前奏🍙。

這些綜合性論文始終體現一種指導思想，那就是錢先生所倡導的工程科學思想。這既是他對導師Kármán所主張的現代應用力學精神的繼承和發揚🙆🏿‍♂️，也是他自己科研和教學實踐經驗的總結。概括地說☎，錢先生認為科學包含兩個部分，即自然科學和工程科學🧏🏿‍♂️🧜🏼‍♀️，前者是後者的基礎👨‍👩‍👧🏕，後者是科學與工程間的橋梁🦶🏻👩🏻‍🦽‍➡️；兩者的任務不同，前者的目標是發現和建立自然界的基本規律👨🏽‍🏭，後者的目標是建立將自然科學的基本規律轉化為工程師們可以用來解決復雜條件下工程問題的科學理論。兩者既有分工又相互依存👩‍🦰。工程科學不能滿足於幫助解決產業界和工程師（以及其他應用領域）當前所面臨的任務，更為主要的是要有預見和超前性，為產業的發展開辟道路🫗🙎。

錢先生之所以能做出這些貢獻🕴🏻，除了有導師和加州理工學院的優良環境的幫助外，時代背景也是重要因素。上世紀上半葉是飛機從螺旋槳轉向噴氣推進的時代🏋🏿‍♂️；是火箭技術從科幻走向科學🧑🏿‍🎨，人類努力實現航天夢的時代；是利用電子技術實現數字計算機的時代；是成功研製原子武器和實現原子能利用的時代；是自然科學基礎研究展現實用價值的時代🎮；是大批科學家通過戰時定向、有組織、有計劃的工程研究獲得豐富經驗而重返校園的時代🐅；也是美國科學和工程教育醞釀革新的時代。錢先生也是這個時代推動上述進步的科學家隊伍中的一員。另外，錢先生是歐洲戰事行將結束，對德國航空和火箭發展狀況進行全面🧏🏻‍♀️、實地考察的美國軍方代表團的成員，隨即又參與為美國空軍提供的報告《邁向新高度》(Toward New Horizons)的撰寫。這份多達12卷的巨著🌶，被認為對戰後美國戰略空軍的發展具有重要價值。這些經歷無疑也對錢先生形成工程科學思想以及掌握從總體把握問題和判斷發展方向與重點的能力有重要作用。

我相信不僅力學工作者可以從閱讀《文集》中獲益🙆🏿，其他領域的科學家🚴🏻、相關領域的工程師✍🏿、教育家👆🏼、科學史和工程技術史專家、科學和技術管理專家等也都可以從中得到有益的知識。

（本文作者為中國工程院院士🥍🦏、中國科學院院士）