力学研究所的创始人和奠基者

——钱学森先生

 

王柏懿

(中国科学院力学研究所)

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一、良好的教育、严格的训练和不懈的科学探索造就了一代大师

     钱学森的祖籍为浙江杭州,他于1911年 12月11 日在上海出生,是父亲钱家治 (字均夫,后以字行) 和母亲章兰娟的独生子。钱均夫是一位谦躬自守、博学多才而又思想开通的人,懂得近代教育并营造了家庭的文化氛围和求实精神, 曾于1911年、1913年两次出任浙江省立第一中学校长,后赴北平就职于当时的教育部。钱学森在3岁时随父母进京,到北平后他上过蒙养院(幼儿园),又陆续在京师女子师范学堂附小(今北京市第二实验小学)、北平高等师范学校附小(今北京市第一实验小学) 和北平师范大学附中学习。北平的师大附小和师大附中在当时都是办学思想十分先进的学校,有一套以启发学生兴趣和智力为目标的教学方案,有一支水平非常高的师资队伍,有一种民主的、开拓的学风。幼年时期的学习、生活环境为钱学森的成长奠定了良好的基础(见图1)。

1. 童年时期的钱学森

 

     1929年,钱学森中学毕业后考入上海交通大学机械工程系,并于1934年以优异的成绩从铁道机械工程专业毕业(见图2)。

2. 钱学森大学毕业照及证书

 

    作为享誉东南的最高学府,交通大学的教学以严格著称,从而使钱学森受到了扎实的训练。1934年7月,他考取了清华大学第二期公费留学生名额,专业是飞机设计。依照清华关于留美学生的规定,钱学森在1934~1935年到杭州、南京和南昌等地的飞机厂实习。 l934年8月,钱学森从上海启程乘坐美国邮船“杰克逊总统号”离国赴美(见图3)。

3.钱学森离国赴美

 

 父亲送行的礼物是一张字条:“人,生当有品:如哲、如仁、如义、如智、如忠、如悌、如孝!吾儿此次西行,非其夙志,当青青然而归,灿灿然而返!乃父告之”,此教诲铭刻在他的心中。9月,钱学森抵达美国后,进入麻省理工学院(MIT)航空系,两年后获得了硕士学位。193610月,他转学到加州理工学院(CALTEC)师从冯·卡门教授(von Karman),在给父亲的信中写道:“……冯·卡门的谦逊和热情,对事业一丝不苟的态度,以及严谨的治学精神,皆给儿以很大影响。儿将追随这位大师攻读空气动力学,也将在这位大师身边度过对儿一生事业具有关键意义的时光……”。

 1939年6月,钱学森取得航空和数学博士学位并留校任航空系助理研究员(见图4), 1944年提升为讲师,1945年提升为副教授。1946年暑期,钱学森转入麻省理工学院,1947年初便成为正教授。当年9月,他回国和著名军事理论家蒋百里的女儿蒋英在上海结婚,婚后返美继续在麻省理工学院工作。1949年,钱学森回到加州理工学院任教,成为终生受聘的“戈达德教授”并兼任喷气推进实验室主任(见图5)。

4. 钱学森在加州理工获得航空数学博士学位

5. 钱学森任加州理工学院喷气推进实验室主任

 

    但从1950年6月开始,美国联邦调查局指控钱学森为共产党员,对他进行监视、跟踪达五年之久。1955年6月,钱学森和蒋英设法寄出了给陈叔通的信,请求祖国帮助他们早日回国。周恩来总理接到此信后立即指示王炳南大使在日内瓦的中美大使级会谈上与美方交涉,美国政府不得不允许钱学森离美回国。1955年9月17日,钱学森一家登上“克利夫兰总统号”轮船,向着心仪已久的祖国驶来(见图6)。

6. 钱学森一家在“克利夫兰总统号”轮船的合影

 

 钱学森在美国待了20年,前四年是学习,后十六年是工作,特别是跟随冯·卡门有十年之久,在应用力学、航空航天领域取得了举世瞩目的杰出成就和广泛影响。但如钱学森自己所说:“所有这一切都是在做准备,为的是日后回到祖国能为人民做点事。”20世纪30-40年代,国际航空工业进入飞速发展阶段,钱学森在这一时期所做的开创性工作遍及亚声速、跨声速、超声速、高超声速和稀薄气体等诸多方面,还包括固体力学的壳体非线性稳定性问题。早在1938年,他就在冯·卡门指导下从事可压缩流体边界层问题的研究,运用逐次近似解法把不可压流动解推广到可压缩情况,给出高速飞行体的阻力和表面热流结果。由于当时风洞的实验马赫数较低,不能测定飞机在高亚声速飞行时的受力情况,急需一种从低马赫数风洞试验结果修正到高马赫数条件的方法,著名的卡门-钱压力修正理论公式解决了这一问题,可以在相当大马赫数范围内计算作用在翼型上的气动力,从而被广泛应用于亚声速飞机翼的没计。钱学森与郭永怀合作,最早在跨声速流动问题中引入上、下临界马赫数的概念,并解决了当时国际公认的在跨声速范围内计算上临界马赫数和求解机翼平面绕流的困难。钱学森还与冯·卡门一起首先提出高超声速流的概念,建立了相似律,给出了钱学森参数(Tsien Parameter),用以解决尺寸不同的机翼间气动力的换算。他把稀薄气体动力学的克努曾数表述为航空工程师熟悉的雷诺数和马赫数,以此为基础将流动划分为连续流、滑移流和自由分子流三类,并给出了平板升力和阻力的计算结果。在固体力学方面,钱学森与冯·卡门合作,对带有曲率的弹性薄壳受力时出现的非线性失稳现象做出包括透彻的物理机制说明,并提出以能量法为基础的近似计算方法,解决了困扰许多著名力学家的难题(参见图7)。

7. 钱学森部分手稿

 20世纪40年代,钱学森有关喷气推进的大量工作为航天科技初创阶段的发展起到了奠定基础、界定性质和指明方向的作用。早在1936年冬,刚开始博士研究生学习不久,钱学森就参加了同学马里纳(Frank Malina)组织的火箭小组,分工侧重研究燃烧室、喷气推力和火箭性能的理论问题,从此结下他与火箭和导弹研究的不解之缘。1938年春,火箭小组在郊外偏僻荒地上建立了一座发射火箭的试验台,这里后来发展成为著名的美国宇航局(NASA)喷气推进实验室(JPL)。同时,由于冯·卡门的推荐,火箭研究工作开始得到美国航空工业界、陆军航空兵和政府的重视,1939年初美国科学院拨款资助在加州理工学院设立火箭研究中心,而第二次世界大战的爆发更使整个火箭计划出现了新局面,特别是在固体推进剂的研究方面。火箭小组于1939年制定了美国陆军航空兵第一个火箭研究计划(GALCIT1),于1941年成功进行了美国首次的喷气助推起飞和单纯以火箭为动力的有人驾驶飞机的飞行试验,又于1942年成功进行了A-20轰炸机的火箭动力装置起飞试验。1943年,钱学森与马里纳合作完成《远程火箭的评述和初步分析》研究报告,提出了三种火箭导弹的设计思想。这是美国导弹计划的第一份正式记录,被誉为“美国导弹先驱”。1944年,钱学森等火箭小组成员制定了研制带发射架的远程导弹计划(ORDCIT)。当年,美国陆军获悉德国研制V2火箭的情报后,遂委托冯·卡门领导远程火箭的研制工作,钱学森负责理论组,开展了弹道分析和燃烧室热传导、燃烧过程的研究。1945年,钱学森作为美国国防部特聘的空军科学咨询团成员,参与了远景发展规划的制定,并随团赴欧考察。考察结束后,钱学森撰写了多份关于德国火箭与喷气技术方面的报告,包括“箭型机翼”、“火箭”、“超声速气体动力学”、“冲压发动机”、“脉冲式空气喷气发动机”等等。在此基础上,咨询团编写了一部九卷集《迈向新高度》的展望报告,为美国发展火箭导弹提出了长远的规划蓝图。在此期间,钱学森还编写了《喷气推进》教材,这是世界上第一本全面系统论述火箭与喷气推进技术的专著。19472月,刚刚升任终身教授的钱学森在学院为他举行的学术报告会上,作了题为《飞向太空》报告,对人类探索宇宙的远景作了科学描述。在完成具体的研究任务过程中,钱学森提出了火箭和航天领域的若干重要概念,如火箭助推起飞装置、火箭远程商用飞机、原子能火箭、行星际飞行理论以及从卫星轨道发射火箭等等。此外,钱学森还直接参与了各种工程实践,如1940年为加州理工学院设计建造超声速风洞和1947年为麻省理工学院设计建造高超声速风洞等等。从1950年到1955年期间里,由于受到监视和限制,钱学森把主要精力放在教学和研究工作上,在工程控制论和物理力学两个领域又做出了开创性的成果。他不仅运用控制论原理解决了一系列喷气技术问题(如喷管传递函数、发动机燃烧伺服稳定、远程导航问题等),还采用统观全局的方法探讨在工程中实现自动控制与自动调节的理论和结构原理,涉及到时变系统、时滞系统、容错系统和非线性系统等各类控制问题。1954年《Engineering Cybernetics》出版,标志着工程控制这门新兴技术学科的建立,在世界科技界引起了广泛注意,先后被译成德、法、俄、中等多种文字出版发行(见图8)。

8. 钱学森论著《工程控制论》的各种版本

 

 1953年,钱学森正式提出“物理力学”概念,主张基于宏微观理论、借助经验和半经验手段以及近似的数学方法来确定高温、高压等复杂条件下物质的力学特性。他不仅发表相关研究论文,在加州理工学院开设课程,还编写了《物理力学讲义》,从而建立一个全新的力学分支学科(见图9)。

9. 钱学森的“物理力学”部分手稿及中文版讲义

 

    钱学森在美国的20年间里,从一名聪颖勤奋的学生成长为一位世界著名的科学家,在加州理工学院的科学成就是他人生的巅峰之一。这段经历为他奠定了雄厚的理论知识基础和工程设计经验,而且和冯·卡门既是师生又是同事的多年共事使他领悟了德国应用力学哥廷根(Gottingen)学派学风的精髓(见图10)。

10. 钱学森()和他的老师冯·卡门在德国哥廷根会见空气动力学家L.普朗特

 

  这里,既有从工程实践中提取理论研究对象的原则,也有把理论成果应用到工程实践中去的方法,早在1947年,钱学森就发表了“Engineering and Engineering Science”的论文,将这个学派的思想提高到科学的高度。而在研究团队中,要经常举办各类学术研讨活动,这些活动十分强调学术民主,专家权威和研究生一律平等,都可以畅所欲言地发表各自的学术观点,甚至争论。这些学术活动给钱学森提供了锻炼创造性思维的机会。钱学森的博士答辩口试成绩为第二等级,冯·卡门却安慰他:“钱,这无关紧要。最好的口试成绩将来不一定能做出最大的成绩。”并多次赞赏他:“钱善于将自然现象中的物理本质直观化,并将这种能力与他的数学天赋很好地结合起来。” 冯·卡门不仅发现了一名青年才子,更为他营造了发挥聪明才智的研究环境。冯·卡门从开始就深信火箭推进的重要而持续地支持火箭小组的工作,帮助他们把喷气推进概念推介给美国军方,还及时地推荐钱学森参与军事研究项目和远景发展规划工作,钱学森“导弹之父”的生涯从此逐步走向辉煌。

 

二、冲破阻挠回到祖国,满腔热忱开创新中国的近代力学事业

 1949年10月1日,中华人民共和国诞生,海外赤子感到施展才华报效祖国的时候到来了。钱学森父亲也写信劝他回国:“…儿生命之根,当是养育汝之祖国。‘叶落归根’,是报效养育之恩的典喻,望儿三思。…”不料,1950年6月美国联邦调查局指控钱学森是共产党,取消他参加机密研究的资格,明令他“不准离开美国”,甚至将他逮捕关押。尽管迫于冯·卡门和加州理工学院众多师生的强烈抗议,当局不得不在非法关押15天后释放了他。但在1950-1955年这一段争取回国的时间里,钱学森一直受到特务监视,失去人身自由,还要经常听候传讯,给他在精神上造成很大压力。环境的险恶并没有吓倒这位执著的科学家,他不断地向移民局提出返回中国的要求。钱学森的不屈斗争一直得到祖国人民、科教界的声援,中华全国自然科学专门学会联合会发表宣言抗议美国政府非法扣押钱学森,中国科学院决定新聘任钱学森为一级研究员并给其家属发放救济金。父亲也写信鼓励:“…相信吾儿对科学事业的忠诚,对故国的忠诚;也相信吾儿那中国人的灵魂永远是觉醒的…”。钱学森在等待回国的几年时间里,经常通过《大公报》、《华侨日报》等报刊了解新中国成立后的各项建设事业,还潜心研读《资本论》、《自然辩证法》等著作,为回归做好思想准备。1955年6月,钱学森和蒋英机智地转寄出给陈叔通的信,一张小香烟纸上写着:“被美国政府扣留,今已五年,无一日、一时、一刻不思念归国参加伟大的建设高潮。”由于中国政府的严正交涉,钱学森终于被允许离开美国(图11)。

11. 1955钱学森寄给全国人大副委员长陈叔通的信

 

 1955917日,洛杉矶码头上挤满了送行的人们和采访的记者,钱学森说:“我很高兴能回到自己的国家,我不打算再回美国,我已经被美国政府刻意地延误了我回祖国的时间,个中原因,建议你们去问美国当局。今后我将竭尽努力,和中国人民一道建设自己的国家,使我的同胞能过上有尊严的幸福生活。” 在“克利夫兰总统号”邮轮上20天里,钱学森不顾环境嘈杂,仍抓紧时间工作学习和研读论文,还兴奋地和许国志谈论着回国后如何开展运筹学为国家的计划管理工作服务的问题。108日,在九龙火车站候车室,钱学森等发表了书面讲话:“今天我们重新踏上祖国的土地,觉得无限的愉快和兴奋!过去四五年来,因为美国政府无理的羁留,归国无期,天天在焦虑和气愤中过活。现在靠了我国政府在外交上严正有力的支持,和世界爱好和平的人民在舆论上的援助,我们才能安然返国。我们向政府和所有帮助我们的人民致谢。”

 在得知钱学森即将启程回国之时,9月15日,中国科学院办公厅主任秦力生向吴有训副院长通报了信息并请他考虑钱学森的工作安排。9月20日,陈毅副总理指示中科院派代表去深圳迎接钱学森并安全护送到北京。9月22日,吴有训将他和陶孟和联名写给钱学森的慰问信交给专程前去迎接的朱兆祥(见图12),而且请他转告:中国科学院已决定请钱学森来创建力学研究所并出任所长。

12.中科院吴有训副院长的慰问信

 

 108日,周恩来总理打电话给陶铸,要求热烈欢迎、亲切接待钱学森及其家人。是日,从九龙出发的火车载着钱学森一家和同船归国的中国学者及留学生们到达深圳。中国科学院的代表朱兆祥和广东省政府的有关人员在桥头迎候他们,钱学森指着几个大木箱子对朱兆祥说:“这就是1950年被美国政府无中生有地凭空诬陷为‘携带机密资料出境’的箱子。出于抗议和期待,这几个箱子5年来始终处于原封不动、待机启运的状态,现在它们也终于进了祖国的大门”。109日,中共广东省委书记陶铸会见了钱学森,并安排他在广州参观访问。陶铸向钱学森介绍了祖国各地和广东省各项建设事业欣欣向荣的景象,令他耳目一新,为此他在广州新华书店专门买了《第一个五年计划》和《中华人民共和国宪法》等小册子来阅读。

13.钱学森从美国归国至上海与家人的合影

钱学森(右三)与其父钱均夫(右二)

 

 在朱兆祥的陪同下,钱学森一家于1013日回到上海,和分别多年的老父及家人团聚(见图13)。他在上海访问了母校交通大学、拜会了老师和朋友,还参观了电机厂、汽轮机厂以及中科院的植生所、有机所和冶金所等单位,对上海的变化惊叹不已。在上海期间,朱兆祥转达了吴有训的意见,钱学森对科学院安排的工作表示满意,并同意出任力学研究所所长。在回杭州老家探亲以后,钱学森便匆匆乘上火车,于1028日抵达首都北京,吴有训和在京著名科学家周培源、钱伟长、华罗庚、赵忠尧等20余人到车站热烈迎接之(见图14)。当晚,中国科学院院长郭沫若举行了盛大宴会,欢迎钱学森一行归来(见图15),在京的著名科学家和他在美国的老朋友都来庆贺他的回归。钱学森回到北京后做的第一件事,就是在翌日清晨带领全家来到天安门广场,目睹这个毛主席宣布“中华人民共和国成立了,中国人民从此站立起来了”的神圣地方。当天下午,周恩来总理邀请钱学森夫妇来到中南海,亲自把盏斟酒为他们接风洗尘,要求他们先去医院检查身体并告之结果,然后交谈了国内外科学的进展。总理还说:现在你回来了,就可以让你担任科学院力学所所长的重任了,你有什么想法现在可以讲。以后你的任务还多着呢,要好好保重身体。11月初,钱学森参观了北京第一棉纺厂、官厅水库模型、治理黄河展览、陶瓷展览、敦煌壁画展览等。115日,当时主管外交和科学工作的陈毅副总理接见了钱学森,代表党和国家欢迎这位爱国的科学家,钱学森不仅谈了回国后的感想,还汇报了组建力学所的设想。从此,钱学森报效祖国的事业就开始了。

14. 19551028日,中科院副院长吴有训到北京前门车站迎接钱学森

15. 郭沫若院长宴请钱学森的请柬

 

 11月上中旬,除了在北京访问了应用物理所、地质所、清华大学、北京大学、航空学院、钢铁学院外,钱学森还开始和钱伟长等一起筹划力学所的组建工作。当时的筹备处就在数学所一角的几间办公室里,钱学森一家也搬到中关村科学院宿舍14号楼201室(图16)。

16. 中关村科学院宿舍14号楼

 

 1121日,钱学森正式到科学院报到,郭沫若院长谈了去东北考察的具体安排,东北之行仍由朱兆祥陪同。从l 9551122日到1221日,钱学森在东北地区的哈尔滨、长春、沈阳等地整整参观、访问了一个月的时间。从哈尔滨沿铁路南下,途径长春、吉林、沈阳、抚顺、鞍山,一直到港口城市旅大,参观了当时全国最大的钢铁厂、煤矿、水电站、炼油厂、冶炼厂、化工厂、造纸厂、机床厂、汽车厂、电机厂、造船厂、飞机厂等等,还考察了农村的生产合作社,当然也访问了若干大学(哈工大、哈军工、人民大学、东北工学院、大连工学院等)和中国科学院的研究所(土建所、机电所、应化所、金属所、石油所等)。此行对于钱学森是非常重要的,一方面他看到了建国以来祖国社会主义建设事业欣欣向荣、迅速发展的情况,深深感受到社会主义制度在统筹和协调工作上的巨大能力,可以集中力量办大事。仅仅六年的时间,祖国面貌就焕然一新、今非昔比。另一方面是通过此行完成了他对于组建力学研究所、发展力学事业的构思。特别是通过在哈尔滨工业大学、长春机电研究所和沈阳东北工学院的三次讲演,一次比一次更完整地勾划出他的设想。从东北回来已是12月下旬,钱学森向中国科学院领导汇报了他发展祖国力学事业的设想,195615日召开的科学院院务会议认为成立力学研究所的条件已经成熟,一致同意呈报国务院正式批准之。从钱学森进入国门到力学研究所成立,总共不到3个月时间,这可能是科学院内成立最快的一个研究所了!钱学森归国后的科学事业主要分两个方面:一是在中国科学院筹建力学研究所,另一是为国防部门创建火箭导弹事业。在从事这些科学事业过程中,这位归国的海外赤子受到了党和政府的关怀和爱护:19551226日,彭德怀元帅在医院里约见了钱学森,请教他许多有关火箭和导弹的问题;195621日,毛泽东主席在设宴招待全国政协委员时,特别安排钱学森同自己坐在一起并进行了亲切的交谈,勉励他致力国家建设事业、多培养青年技术人员。52日在最高国务会议期间,毛泽东主席再次接见了钱学森,并谈及物质无限可分与唯物辩证法等问题。不久,叶剑英元帅亲自在家中宴请钱学森和夫人蒋英,谈及如何开创我国火箭导弹事业的设想;314日,周恩来总理亲自主持中央军委扩大会议,请他给元帅和将军们谈了发展导弹技术的规划,会后还特意留他共进午餐。7月,人大委员长刘少奇又亲切接见了钱学森。所以,钱学森曾在全国政协二届二次大会上热情洋溢地说:“我们的科学工作者受到党和政府的关怀和爱护,我深深地感到生活在新中国是多么快乐,多么光荣!”

 钱学森满腔热忱地投入到开创新中国近代力学的事业中:19561月,他就亲自举办了“工程控制论学习班”,为来自北京和全国各地科研单位及高等院校的学员讲授《工程控制论》。2月,他提交了“建立我国国防航空工业的意见书”。3月,国务院成立负责编制《1956年至1967年科学技术发展远景规划纲要》的科学规划委员会,他被选为委员,担任综合组组长,并主持完成了其中“喷气和火箭技术的建立”规划。5月,他被选为中国科学院编译出版委员会委员。6月,他在《科学通报》发表“航空技术的展望”。7月,参加在莫斯科大学召开的第三届全苏数学大会。9月,他发表了科普小册子《从飞机导弹说到生产过程的自动化》。10月,他担任我国第一个导弹研究机构—国防部五院院长,并为新分配的大学生开讲《导弹概论》;他在《科学大众》发表“从自己的业务中学习科学的”文章,并在全国第一次职工科学技术普及工作积极分子大会上作报告。11月,他在《光明日报》上发表长篇文章“星际航行的现实性”。19571月,他在《自然辩证法研究通讯》上发表“技术科学中的方法论问题”。2月,他发起的全国第一次力学学术报告会在北京召开;开幕式上他作了“论技术科学”的报告;中国力学学会正式成立,他当选为第一届理事长;他出席中国物理学会北京分会年会,作了“物理力学介绍”的长篇报告;出任《中国科学》主编。3月,他在《科学记录》上(中英文两种版本)发表了“关于大型风力发电站”的文章;他任主编的《力学学报》出版了创刊号;他倡议的“工程力学研究班”由力学所和清华大学联合创办。5月,他被推选为中国科学院学部委员,并在第二次全体会议上作了“论技术科学”的报告;他牵头发起了筹委会,并在《科学大众》上发表了通俗文章“工程控制论”。6月,他在《人民日报》上发表介绍近代力学的文章“一门古老而又年轻的科学”;中国自动化学会正式成立,他当选为主任委员。9月,国际自动控制联合会(IFAC)在巴黎成立,他被推举为常务理事。10月,他在中科院、中华全国自然科学专门学会联合会和全国科学普及协会联合召开的大会上作了“喷气技术与人造卫星”的报告。11月,他在《力学学报》发表了“远程星际航行”的论文。19582月,他和郭永怀等倡导由中科院创办一所新型大学,由此诞生了中国科学技术大学,他们分别担任了近代力学系和化学物理学的首任系主任。6月,他在《科学大众》上发表了文章“展望十年—农业发展纲要实现以后”。8月,他在力学学会常务理事会上作了题为“争取力学工作的大跃进”的报告。9月,他当选为中华人民共和国科学技术协会第一届全国委员会委员。10月,他担任新改组成立的国防科学技术委员会的委员,还参与了国务院科学规划委员会编制《1959年科学技术研究重点的建议项目》工作。11月,他出席了全国科学技术情报工作会议。以上仅仅是钱学森归国三年间科学活动的部分实录,展现出他在开拓新中国近代力学事业方面的赤诚之心。作为一代力学大师,他将事业的发展置于全民族、整个国家科学素质的提升之中。

 这里特别应当指出的是,钱学森刚刚回国,就运用他广博的知识投身于新中国第一个远期科学规划的制订工作,发挥了举足轻重的作用,做出了彪炳千秋的贡献。《19561967年科学技术发展远景规划纲要》是在周恩来总理亲自领导,陈毅、李富春、聂荣臻等具体组织,757名科学技术专家全力参与下,历经7个月完成了《纲要(草案)》的编撰。钱学森作为一名火箭技术专家,由他主持,与王弼、沈元、任新民等合作,完成了第37项《喷气和火箭技术的建立》,将喷气技术和火箭导弹事业纳入了国家长远规划,勾画了这一尖端技术的发展蓝图,对推动这一事业的发展起了重要作用。他们在规划的说明书中指出:“喷气和火箭技术是现代国防事业的两个主要方面:一方面是喷气式飞机;一方面是导弹。没有这两种技术,就没有现代的航空,就没有现代的国防。建立了喷气和导弹技术,民用航空方面的科学技术也就不难解决了”。该项规划的目标是:“本任务的预期结果是建立并发展喷气和火箭技术,以便在12年内使我国喷气和火箭技术走上独立发展的道路,并接近世界的先进技术水平,以满足国防的需要”。他们还规划了大体的进度:“1963-1967年在本国研究工作的指导下,独立进行设计和制造国防上需要的达到当时先进性能指标的导弹”。作为一名世界知名的科学家,钱学森还积极参与了整个规划的制定工作,他担任由12名科学家组成的综合组组长,负责整个规划项目的评价、裁决、选择和推荐工作,综合各方面的建议,最终供领导决策。不言而喻,这一工作是十分艰巨而关键的。l2年科学规划中,除了制定了57项重大研究任务以外,还确定了12项重点项目,其中6项则列为国家最要采取的紧急措施:原子能技术、喷气与火箭技术、半导体技术、电子计算机技术、无线电技术和自动化技术(当时对外只公开了4项,未提原子能和导弹两个保密项目)。正如陈毅副总理所说:“制定这样的科学发展规划,在中国历史上是第一次。”它不仅为新中国科学技术事业的迅速成长,而且为新中国工业、农业、国防等社会经济的长足发展起到了重要的推动作用。

  

三、 倾尽心力,以全新模式创建中国科学院力学研究所

 关于建立力学研究所的问题,中国科学院早在1953年便在数学研究所设立了力学研究室,其目标是为将来独立建所做准备。19559月,在获悉钱学森即将回国的时候,科学院领导就和力学家周培源、钱伟长商量,决定以钱伟长在中科院数学所的力学研究室为基础,成立力学研究所,并推荐钱学森为未来的力学所所长。10月,在钱学森第一次和科学院的领导见面以后,由他任力学所所长之事就确定下来了。他便和钱伟长、朱兆祥一起,和在京的力学家周培源、张维、杜庆华、吴仲华、陆士嘉等座谈,与力学研究室的李敏华、郑哲敏、林鸿荪、胡海昌等商讨,集思广益,反复切磋,明确建所方针,拟定建所方案,筹划人员配备,寻找办公地点等,在不到三个月的时间内,就把力学研究所建立起来了。

 1956年1月16日,陈毅副总理亲笔签署批复了中国科学院呈交的《关于成立力学研究所的报告》,中国科学院力学研究所正式成立。新建的力学所已经超出了传统的力学范围,它完全是按照钱学森关于工程科学的思想建立的,实际上,它是一个综合性的技术科学研究所。这既符合力学的长远发展方向,又符合我国社会主义建设的需要。钱学森在力学所的研究方向、体制与机制等方面形成了一个独特的全新模式(图17)。

17. 钱学森《关于力学所长远规划问题》

 

1. 研究方向的设置

 钱学森依据国家建设的实际需求和近代力学的发展趋势,来设置力学所的研究方向和科研结构。早在195510第一次来到组建中的力学所时,他就提出了每个组的研究方向要围绕着国家的重大问题。比如弹性力学组,就要考虑我们国家是多地震国家,对地震的防护水平还不高,应该把主要的方向设定在为抗震服务方面上。对于设定最先成立的4个研究组,钱学森就明确它们的研究方向应当是:(1)弹性力学组,研究抗震的力学问题,其主要科学问题是非平稳随机载荷下的结构动力学。(2)塑性力学组,研究描述物质塑性行为的本构理论,其主要科学问题是如何将物质的微观行为(如位错)与宏观行为结合起来。(3)流体气体动力学组,研究叶栅流动,主要科学问题是叶栅引起的复杂旋涡运动。(4)自动控制及调节理论组,研究工程控制论,这与自动化等技术有直接关系。1956年,随着制订国家12年科学发展远景规划工作的开展,又建立了化学流体力学组、物理力学组和运用学(以后改称“运筹学”)组。而流体气体动力学组则改为流体力学组,其研究方向进一步拓展包括了高速飞行器的空气动力学等。以后还陆续成立了激波管组、等离子体动力学组等等。1958年,在国际航天技术飞跃发展和国内大跃进形势影响下,特别是5l7日毛泽东主席在中国共产党八届二次会议上发出“我们也要搞人造卫星!”的号召以后,钱学森和郭永怀、杨刚毅等所领导与科学院副院长张劲夫多次商讨研究,还曾到颐和园昆明湖泛舟、万寿山务虚,最终确定以“上天、入地、下海”为主攻方向重新组织力学所的研究队伍,撤销研究组而设立研究室,还建立了“上天”设计院(迁沪后改称“上海机电设计院”,由力学所和上海有关方面共管,1960年划归科学院新技术局后与力学所脱钩)和怀柔试验基地从事火箭、卫星的研制工作。1961年,为了贯彻中央“调整、巩固、充实、提高”的方针和国防尖端部门“缩短战线、集中力量、打歼灭战”的精神,钱学森主持召开了力学所和国防部五院共同参加的“518”协商会议, 确立了双方间的“接力式”协作关系。经过三年困难时期的调整,力学所形成了与火箭技术研制部门的分工,确立了以服务航天为主要目标的基本定位,把主要的力量放在了与航天相关的工作上(图18)。尽管随着历史的进程,力学所的研究方向、领域有所变化,但它一直遵循这一模式,以国家重大需求为牵引,从事战略性、前瞻性、基础性的研究,持续为我们国家的经济提升、国防建设和社会发展提供了必要的科学支持,并为近代力学的深化拓展做出了重要贡献。

18.  1960516日,中国科学院力学研究所召开座谈会,畅谈苏联宇宙飞船上天。(前排右1钱学森,右2郭永怀,右3林同骥, 后排右2徐复)。 

2.人才队伍的建设

钱学森深知人才培养和队伍建设是关系到力学所长期稳定发展的根本,从建所伊始就突出关注这个问题。他亲自把尚在美国工作的郭永怀、钱寿易邀请回国参与力学所的工作。在195622日给郭永怀的信中,钱学森写道:“我们现在为力学忙,已经把你的大名向科学院管理处‘挂了号’,自然是到力学所来,快来,快来!……请兄多带几个人回来,这里的工作,不论在目标、内容和条件方面都是世界先进水平。这里才是真正科学工作者的乐园!”。(图19

19. 195622日钱学森给郭永怀的信

 

19568月,刘源张从美国回国后填报志愿时写的是长春第一汽车制造厂,9月,钱学森从林同骥处得知此事后立即写信请他到北京来,10月,两人见面时钱学森建议他留在新建的力学所运筹室工作,刘源张欣然从命,开始了运筹学研究的生涯,并于一年后主办了国内第一个面向工业企业的质量管理讲习班,课后还到北京、上海、济南、青岛等地工厂指导实习。19574月,刚刚从美国返国的卞荫贵尚在上海家中,就接到钱学森的一纸电文“欢迎您到力学所来”,这令他立刻做出决定:放弃其它单位的邀请,到力学所来,尽管这样工资低了一级。不仅如此,为了使卞荫贵安心在力学所工作,钱学森亲自到家中和卞荫贵的新婚妻子杨玉华商议由上海调到北京的事宜。他提出了两个方案:一是到许国志先生的运筹室工作,但是工资要降至当年大学生的水平;二是从事力学所的会计工作,可保持原有的工资水平。钱学森鼓励杨玉华选择第一方案,并作了细致的思想工作,杨玉华最终选择了第一方案,在后来的工作中做出了很好的成绩。1958年,钱寿易应钱学森的邀请,毅然放弃在美国的优厚待遇和工作条件举家回国,来到力学研究所二室工作,钱学森亲自引领他去和研究室人员见面,拉着他的手高兴地对大家说:“我给你们带来一位好主任!”在力学所,钱学森不仅重视对高级研究人员的吸引,他对年轻学子同样关怀之至。困难时期,陈致英的妻子在东北分娩后只身带养孩子、生活十分艰难,钱学森得知后亲自找人事处商定调入方案。这种爱惜年轻人的作法,钱学森一直贯彻始终,甚至延续到他不再主持力学所工作之后。崔季平和钱希真是他亲自遴选的从事物理力学的助手,198133日他在致崔季平的信中曾写道:“钱希真到力学所的事,只因一个单身宿舍的铺位,而成了问题;听来,令人难过。我想,全国人民如果知道你们这一代的辛酸,也会动容的。”多么情深意切!19561月力学所建所时,大学的毕业分配工作尚未进行,为了形成从事近代力学的研究队伍,钱学森一方面安排招收研究生的工作,另一方面安排力学所的高级研究人员到清华、北大等高校开设力学课程、指导毕业论文,为吸引优秀人才铺垫基础。对于已经入所工作的青年人则采取“导师制”进行在职培养,让他们选择高研作为导师指导学习,鼓励他们到高校进修课程(可占用一定的工作时间)。钱学森注意从理工科的多种专业(包括非力学专业)吸收毕业生,进所分配到研究组后就按指定的方向补习薄弱环节,参加讨论班并参与一定的研究工作,并强调要在工作过程中学习。为了加速干部培养,1957年春季开始,力学所还与清华大学联合举办了工程力学研究班,从高等院校理工科青年助教、应届毕业生、高年级大学生中抽调学员,在应用力学方面进行专门训练以达到研究生水平,钱学森、郭永怀等亲自为学员们授课。1958年,在钱学森、郭永怀等倡议下,中国科学技术大学成立,力学所创办了近代力学系和化学物理系,他们分别兼任系主任并亲自编写讲义、教授课程(图20)。这样,一大批新型的专业人才,依照技术科学的特色和理工结合的精神培养出来了,不仅满足了力学所的需要,也为中国近代力学造就了中坚力量。

20. 钱学森给中国科学技术大学近代力学系学生讲课

 

3.研究风气的培养

钱学森十分重视学风建设,力学研究所成立起来以后,对多数人来说,方向和任务都是全新的,研究工作从哪里起步呢? 他在成立大会上向全体工作人员作了“关于力学研究方法”的报告。钱学森首先说:任何科学研究必须和实际结合,挑选题目应当符合国家工业推进的方向。力学的研究一定要以实验结果和工程经验为出发点,要耐心考虑实际生产过程中发生什么问题,从里面可以发现其中的共同之点,解决这一问题就可以解决类似的若干问题。他又指出:任何问题都有它的关键之点,即主要矛盾,在研究过程中一定要先弄清哪些是主要之点,可以暂时忽略非主要之点,然后提出一个模型来代替实际问题,这样才易于掌握。很多问题过分精密化并没有意义,不要忽视近似解。如果最后理论与实际不符合的话,也不必惊奇,那是因为模型不能完全代表实际,它是用科学家思想表达出来的东西,很多已经理想化了。研究工作一定要注意一般性原则,要有判断能力,要掌握基本科学知识的精神。研究的结果要注意实践的意义,“我做出了结果,用不用由你”的清高思想是不对的,研究结果应该拿出来给人看,要等工程师能用你的才算完事。他特别指出:要建立劳动纪律、反对自由主义作风,课题应列入计划并按照计划做出结果来。研究结果一定要写出报告并加以讨论,要开诚布公地讨论,不懂就是不懂,应提出来问,对别人的工作也应直率提出意见。他提出要培养集体劳动的精神,一定要配备资料、绘图等辅助人员,但研究人员对辅助人员的态度要好。以后,他还多次在不同场合提倡要干“出汗”的工作,批评无实质内容、花花哨哨和“数学游戏式”的工作。他要求大家首先要了解和掌握情况,因为我们选定的许多领域都是全新的,有些在国际上也是超前的,就必须进行学科进展与国家需求情况和国内外文献的广泛调研,因为这是工作的起点,只有这样才能避免走老路,并以最快的速度前进。他告诉大家首先要以讨论班的方式开展讨论,要加强与工程部门的联系,加强与清华、北大等兄弟高校的联系,加强和相邻学科的联系。他特别提出为加强对新鲜事物的敏感,每月举行一次讨论会,要报告一些新的观点。他本人也经常和不同学科领域的学者沟通,比如,和叶渚沛、郭慕荪交流化工冶金方面的问题,和贝时璋就生物方面的问题展开讨论。钱学森对高级研究人员要求特别严格,在学术讨论会上对他们的工作有更严格的要求,甚至会提出严肃的批评。

21.  钱学森向全所展示爆炸成形新工艺

1958年,力学所成立了高速变形组,开始研究爆炸成形问题。钱学森在1960年主持了一次演示会,研究人员用雷管把一块小钢片炸成了其貌不扬的小碗。他举着这只小碗在观众前环行一周,边走边说:你们不要小看这只碗,将来要在机械工业中产生重大变革(图21、图22)

22.  爆炸成形实验的全过程实录

1963年,按照他的要求,力学所和导弹制造厂紧密合作,运用爆炸机理和模型律把合格的火箭喷管做出来了,他很高兴,决定召开联合学术报告会,用讲演、展板等介绍推广爆炸成形机理和工艺,并亲自检查进展。一次,他走到一块即将完工的展板前,忽然眉头紧锁、声色俱厉地说:郑哲敏呢?把他叫来!原来试验数据的有效数字多达6位。当然,对于年轻学子,他则是耐心教诲、循循善诱,甚至亲自帮助他们修改研究报告,从总体框架、表述方式到文字标点,都用秀丽的红色字体一一指明。钱学森就是这样在力学所造就一种“严谨、严密、严格”作风。钱学森还要求,作为社会主义国家的研究所,要十分认真地答复人民来信,他在这方面也身体力行地做出了榜样。1963年在困难时期结束后,国家进行了一次调整工资的工作,开始为职工提升工资,钱学森却在97日写信说:“现在我所正在进行级别工资的调整。我想用这个机会也提出一个近年来留在我心中的问题。……我认为我这个工资过高,因此请求组织上减扣。所以,多了完全不必要,而于心很不安。恳请组织批准我这个请求。”这种高风亮节教育了力学所的广大员工。

4.管理体制的形成

 钱学森强调建设好科研组织管理和支撑体系,在1956-1957年间着力抓了下述几项的工作:(1)改进办公会议形式,形成所务会议制度,以讨论、确定和部署所内重要工作,并拟定建立科研计划机构。(2)设立图书委员会,加强图书期刊的采购,仅一年左右时间图书馆藏书规模便超过13千册(外文书刊1万册以上),基本满足研究工作的需要。(3)设立实验室委员会,全面规划、推进和检查实验室建设工作,监督器材设备的订购和保管。(4)建立有所外著名力学家参加的学术委员会,设立外文考试委员会和研究生答辩委员会。(5)筹建金工厂和电子计算机室。从力学研究建立开始,钱学森就一方面强化研究工作管理,亲自通过所务会议制定了“研究工作报告制度”,要求每项研究课题都必须完成进展报告和结题报告;另一方面注意创建一种活跃的民主的学术氛围,定期非定期开设各种专题讨论班、召开各类学术研讨会。他不仅亲自授课讲学、作学术报告,还自费购买糖果点心给参加研讨会的年轻人享用,鼓励提出问题、发表意见、相互讨论,指出不论资历深浅,大家都是平等的,并积极提倡不同观点之间的争论。而他本人的学术报告不仅内容新颖、翔实,而且深入浅出,使一些艰深而又复杂的问题变得通俗易懂,生动活泼。所以,每当他作报告,不仅力学所的人踊跃参加,甚至科学院其他研究所、大专院校和外地的一些科技人员都赶来聆听。在力学所成立的最初岁月里,除了建设民主的学术氛围,钱学森也十分注意形成一种生动活跃的工作环境。1956年的元旦和中秋等节假日时,他都带着夫人蒋英和所里的职工们一起联欢,还请蒋英现场表演。大家都记得有一次钱学森和蒋英与大家玩游戏“击鼓传花”,年轻人故意将花传到蒋英手中时停止击鼓,蒋英唱完一支歌钱学森带头鼓掌并欢呼“再来一个”!当时的共青团支部书记刘正常曾向钱学森提出能否安排年轻人一些打篮球的时间?他立即同意并批示下午4点以后可以让青年开展体育运动。 这一规定在力学所延续了多年。钱学森十分强调学科交叉,他认为:科学院的条件特别适宜于发展新的、学科之间的边缘学科,不仅是自然科学、技术科学的相互渗透,而且应当重视将自然科学、技术科学渗透到社会科学部门中去。在他的支持下,力学所和化工冶金所在钢铁冶炼以及多相流和移动床等研究领域进行了合作。他也赞同科学院“任务带学科”的提法,在力学所设置了与三峡建设、油田开发、爆破工程等国家需求密切相关的研究课题。    

 力学研究所的各项工作在钱学森的带领下,迅速走上轨道,并跟随共和国的前进步伐从一个辉煌走向又一个辉煌。

 

四、 钱学森关于“工程科学”的建所思想引领力学所持续发展

钱学森是按照“工程科学”思想来建设力学研究所的,这个建所思想对力学所的发展起了决定性的作用,而且至今仍在指导着力学所各项工作的开展。早在1947年回国做短期访问期间,他就在浙江大学、交通大学、清华大学做学术报告时讲述了工程科学的作用和重要,并于次年在美国发表了“Engineering and Engineering Science”的论文(图23)。

23. 钱学森“工程科学”思想的部分手稿

 

 1957年,他在第一次全国力学学术报告会上作了“论技术科学”的大会报告,全文在当年的《科学通报》发表(图24)。这里,“技术科学”实际上就是“工程科学”,它们在英文上都是一样的。回国以后考虑到中国科学院有个技术科学部,因此在1957年发表文章时改称“技术科学”。

24. 钱学森的“论技术科学”

 归纳起来,钱学森关于“工程科学”的基本思想有以下几个方面:

1.      技术科学是介于自然科学与工程技术之间的一门独立的学科

 技术科学是介于自然科学与工程技术之间的一门独立的学科或可以称之为桥梁。这里所讲的自然科学包括数学、物理学、化学以及生物学、地质学等科学。而工程技术则是人们在从事生产的过程中所积累的对自然界事物的经验,可以直接应用到生产中去。在科学发展的早期,科学家和工程师无法区分,例如牛顿既是力学家也是结构工程师。十九世纪中期以后,科学家和工程师分手了,前者关注于自然科学体系的建立,后者关注于生产方法的改进。科学的历史发展实践表明,自然科学不能完全包括工程技术,有科学基础的工程理论—技术科学构成人类知识体系的一个组成部分。它不是自然科学本身也不是工程技术本身,而是为工程技术服务的一门学问,是自然科学和工程技术互相结合的产物。

2.      技术科学的主要作用是创造工程理论

 技术科学的主要作用是从工程技术的实践经验出发,通过科学的分析和精炼,提取具有一般性的研究对象,创造出工程技术的理论,其研究成果对工程技术问题有普遍的应用。要把自然科学的理论应用到工程技术上去,不是简单的推演工作,而是一个非常困难、需要有高度创造性的工作。有了有科学根据的工程理论,就不必完全依赖工作经验,就可以预见,因此工程理论又是新技术的预言工具,可以指出下一阶段工程技术的发展方向。总之,技术科学能领导工程技术前进,是推进工程技术的一股力量,是技术更新、创造新技术所不可缺的一门学问。

3.      技术科学的研究方法

 技术科学的研究方法不同于自然科学,其关键在于对所研究问题的正确认识。技术科学研究的对象是工程环境下的复杂系统,它追求的是虽不十分精确且带有一定经验性的实用规律,但必须是最大程度上建立在自然科学和数学基础上的。一个好的技术科学家应当有能力从复杂的实际问题中(在收集大量的数据和资料的基础上)找出主要因素和现象机理,建立模型,通过分析和计算,得出与观测或实验相一致的结果,并可以据此得到工程上有用的定量预测。在技术科学中,使用数学分析与计算的地方很多,其中数学演算一般比自然科学要多,有时甚至成为工作量的主要部分。但是数学对于技术科学来说,只不过是一个工具而已。

4.      技术科学和工程技术、自然科学之间的关系

 技术科学和工程技术、自然科学之间是相互影响与相互提升的。技术科学对工程技术的推动作用是显而易见的,应用力学对航空航天技术发展的贡献是有决定性的:流体力学为飞机的设计从多翼面、带支柱的外形走向单翼面、完全流线型的外形提供了科学依据;弹性力学奠定了全金属飞机结构的理论基础;气动力学的进展促成了超声速飞行和喷气推进的实现;高超声速气动力学和稀薄气体动力学的研究促进了星际航行的诞生。反之,工程技术的实践又会提出各种需要解决的科学问题,例如飞机的金属薄壳结构的临界负荷、材料破坏导致了塑性力学的发展。类似地,技术科学和自然科学之间亦是互相促进的。自然科学是技术科学的基础,而技术科学也能把工程技术中的宝贵经验和初步理论精炼为具有比较普遍意义的规律,再加以提高便可能成为自然科学的一部分。工程控制论就是一个明显例子。

5.      技术科学对科研人员素质的要求

 技术科学对科研人员的素质提出了一系列的要求。由于技术科学是工程技术的理论,技术科学工作者必须掌握数学分析和计算方法,使它成为自己的有效工具。技术科学工作者还必须彻底掌握自然科学的规律,以此作为指南来探索工程问题的关键点。由于技术科学包含有工程技术里的原始经验成分,技术科学工作者必须经常和工程师们联系,知道生产过程中存在的实际问题,甚至直接参加解决生产中发生的问题,以取得实践的经验。一般而言,技术科学工作者的知识必须是很广阔的,从自然科学一直到生产实践都要懂得,而且还必须能灵活地把理论和实际结合起来,创造出有科学根据的工程理论。

6.      技术科学的先驱和范例是力学

 技术科学的先驱和范例是力学,因为上世纪初期航空技术在迅猛发展,所以应用力学首先得到发展,它已成为技术科学和工程技术相互作用的典型,也是技术科学这个概念的来源。古典力学有两个重要分支:流体力学(也包括气体动力学)和固体力学(包括了弹性力学和塑性力学)。20世纪初叶,在航空技术的推动下,力学得到了迅速发展。由于技术科学的目标不是一个具体工程中的个别问题,而是一类或几类工程中带有共性的“一般性”问题。应用力学的研究成果,亦可应用于航空技术以外的其它工程技术部门,例如喷气推进、大气再入等气动热化学过程所涉及的高速化学反应动力学理论就可以应用到化学工业中去。随着社会的不断进步,应用力学亦在不断开拓新的领域,例如化学流体力学、物理力学、电磁流体力学、流变学和岩土力学等等。

 综上所述,钱学森认为工程科学是自然科学与工程技术和其它应用技术之间的桥梁,其任务是在这个广泛领域内发现和研究共性及基础性问题,以达到发展高技术、提升和改造传统工程技术、开辟新的工程科学领域的目的。这一重要思想是力学研究所应当永远珍惜、继承和发扬的宝贵精神财富。

 

 55年来,力学研究所在钱学森“工程科学”思想引领下,走过了光辉的历程,已建成为综合性国家级力学研究基地,在国内外相关领域享有声誉,并将继续为国家的经济建设、国防安全和环境生态的可持续发展做出应有的贡献。 

致谢:力学研究所综合办公室许滨为本文选配了大量的图片,作者对此深表谢意。

 

作者简介王柏懿,女,1941年生,研究员。1964年毕业于中国科学技术大学近代力学系,同年分配到中国科学院力学研究所工作。1984-1986年赴加拿大多伦多大学宇航研究院作访问学者。1987- 1990年在国家自然科学基金委任兼职专家。1990-1992年任力学研究所所长助理。1992-2001年任力学研究所副所长。1993年起享受国务院办法的政府特殊津贴。