钱学森科学和教育思想研究中英文版问世

郑哲敏

中国科学院力学研究所院士

《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，其中英文版部分是在王寿云（1938－1997）编的《钱学森文集1938－1956》（科学出版社，1991）基础上修订后的新版，中文版部分则是首次与读者见面。

《文集》出版是为了纪念钱学森先生一百周年诞辰，便于更多的读者可以直接和完整地阅读和研究这位科学大师在美国学习和工作期间的公开发表的论文，便于对他的科学研究和贡献、重要思想以及治学精神有全面的领会。

中文版部分是在著名英语教授、应用语言学创始人、中国科学院科技翻译工作者协会创始人李佩先生策划和精心主持下，由中国科学院一批既具备力学专业知识又长于英语翻译的专家们经反复推敲完成的，做到了在文字和精神上忠于原著。上海交通大学出版社也为此书的出版投入了很大的力量。因此就翻译和出版的质量而言，这也是一套高水平的出版物。

为便于力学专业之外读者的阅读，仅就我个人的体会，尝试对本书的内容作一概括的介绍。

钱学森先生留美时期正值航空工业从螺桨、低速走向喷气、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冯·卡门的建议，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，后来被称为著名的卡门－钱公式，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。(www.xing528.com)

壳体结构是减轻飞行器的有效途径。在20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，他和冯·卡门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，钱先生与马林纳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海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，以更广阔的视野，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“古根海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。

每一篇这样的综合性论文不仅都包含钱先生独立的研究成果，而且与其相呼应，《文集》中还另有相应领域的专题研究论文。在空气动力学方面，钱先生着重于研究真实气体在低密度、高温、高压条件下的物理特性并将其作为新的因素，体现和应用于空气动力学问题，推动了空气动力学向新领域的开拓。他系统地提出了火箭和喷气推进技术面临的科学问题，其中有些见解是十分独到的。例如，为了解决火箭发动机耐高温的问题，他提出，在发动机工作时间短的条件下，可以舍弃传统的弹性力学方法而改用流变体力学的方法；他还提出，为了实现远程和洲际火箭航行，可以设想在火箭上安装翅膀。我们知道，这种设想后来在美国航天飞机上得到了完全的实现，航天飞机正是利用这个道理实现了重返地球的长距离滑翔，克服返回地球所面临的热障问题。他深刻地体会到，为了解决高温、高压和高应力状态所带来的问题，传统的实验手段遇到了新的挑战，必须借助于原子、分子和凝聚态物质的微观理论，因此为力学提出了一个超越经典力学的新的领域，那就是物理力学。历史的发展表明：他这种思想是很超前的，如今不仅在力学，在物质的微观理论与工程技术研究相结合的方面，并且在其他众多领域已经被普遍采用。

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。这既是他对导师卡门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。要能做到这一点，一个从事工程科学研究的专家必须掌握数学、自然科学理论和工程方面相关的知识。钱先生作为工程科学家，十分重视自然科学的基础理论和工程实践的经验，因为它们都是源泉，因此他在多篇文章里详细地解释工程科学与自然科学的差别和联系。

钱先生提出这些新的科学研究领域和工程科学（即技术科学），除了有导师和加州理工学院的优良环境外，还有更深刻的时代背景。20世纪上半叶是飞机从螺桨转向喷气推进的时代，是火箭技术从科幻走向科学，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。这份多达十三卷的巨著，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。