钱学森与力学

钱学森与力学谨以此文，纪念钱学森先生诞辰100周年钱学森院士是中国火箭、导弹、航天事业的拓荒者和奠基人，是一位传奇式人物。他出身中国的华丽家族，家学渊远。1934年，钱学森考取“航空机架”留美公费生，1935年横渡太平洋，成为美国航空大师冯卡门的高足。他在美国从事火箭研究，参与国防机要，甚至一度在五角大楼上班。第二次世界大战即将结束时，他以美军上校身份参加美国空军顾问团，前往德国考察火箭和导弹的研制工作，审讯德国火箭鼻祖冯布劳恩。新中国诞生后，他准备回祖国效力，却遭到美国联邦调查局的“调查”，甚至以间谍罪被捕入狱。美国千方百计阻止钱学森回国，因为他们深知钱学森“抵得上五个师”！诚如艾青所诗：“为什么我的眼里常含泪花，因为我对这片土地爱的深沉。”经过五年的不屈抗争，在周恩来总理的直接过问下，导弹翘楚钱学森终于在1955年10月8日踏上祖国的热土。毛泽东主席亲自接见了他，称他为“火箭王”。他运筹帷幄，稳坐军中帐，对中国的“两弹一星”以及载人航天事业作出了不可替代的历史性贡献，为中国的现代化进程和提升大国地位立下不可磨灭的功勋，岂止“抵得上五个师”！钱学森是国际知名的力学大师，他的许多力学著作堪称经典文献。他对近代力学以至科学技术的内涵和发展方向发表过全面系统的论述。在这里笔者试图通过追溯钱学森的力学研究之路，来展示其在力学方面的巨大贡献，并以此纪念这位伟大的科学家。1. 钱学森是如何走上力学研究之路的每一个时代，青年都有着带有鲜明的时代印记的追求。在钱学森高中毕业的时候，他充满着“实业救国”的理想，即“习西夷之长，救中国之短”。那时，他关注的目光是在铁轨上飞驰的火车，因此，他报考了上海交通大学，并于1929年9月考取上海交大机械工程系，攻读铁道机械工程专业。1934年，他以优异成绩从交大毕业。他完全可以顺顺当当去做一名铁道工程师。然而，在交大学习期间，他已经把专业志向从关注地上跑的火车，转移到天上飞的飞机。促使这大转变的，是上海上空出现的机翼上漆了红色“膏药”的轰炸机。倾泻而下的炸弹，震惊了正在埋头读书的钱学森。日本空军凭借空中优势，掌握了制空权，狂轰滥炸，使中国军民惨受杀戮。面对日本飞机的呼啸声，面对被炸伤的中国军民的呻吟声，钱学森痛感中国必须拥有强大的空军，中国必须拥有强大的航空工业。因此，他报考清华学堂公费留学，专业是飞机设计。他以极高的分数87分通过了考试的专业科目航空工程，被录取公费留美，从而从研究笨重的火车头转向研究轻巧的飞机。1935年秋，钱学森从上海坐船离国。当时他的心情是，中国混乱，豺狼当道，先去美国学好技术，他日回国为国效劳。到达美国后，他进入麻省理工学院航空工程系学习。钱学森在麻省理工学院只花了一年时间，就戴上了航空工程硕士的方尖帽。尽管学业成绩超群，但是作为实践性很强的飞机机械工程学生，钱学森本来应该去美国的飞机制造厂实习。可是，当时美方规定，美国的飞机制造厂只准许美国学生实习，不接纳外国学生。他只得改变自己的专业方向，即从飞机机械工程转为研究航空理论。航空理论需要大量的数学计算，而这恰恰是钱学森的特长所在。美国的航空理论研究中心在洛杉矶的加州理工学院，那里的冯卡门教授是航空理论研究的权威。于是，钱学森在麻省理工学院获得航空工程硕士学位之后，转至加州理工学院，追随冯卡门教授学习航空理论，即应用力学。2 钱学森在应用力学研究方面的贡献空气动力学是力学的一个分支，是航空工程的理论基础。冯卡门当时是世界空气动力学的权威。钱学森在冯卡门的指引下，闯进空气动力学这片正待开发的森林。2.1 导师冯卡门的影响冯卡门是加州理工学院在1929年12月从德国亚琛大学请来的一位航空科学专家。冯卡门非常推崇创新精神。他曾经问学生：“你们的100分的标准是什么？”学生回答说：“全部题目都答得准确。”“我的标准跟你们的不一样，” 冯卡门说，“因为任何一个工程技术问题根本就没有百分之百的标准答案。要说有，那只是解决问题和开拓问题的方法。如果有个学生的试卷对试题分析仔细、重点突出、方法对头，且有自己的创新，但却因个别运算疏忽最后答数错了；而另一个学生的试卷答数正确，但解题方法毫无创造性。那么，我给前者打的分数要比后者高得多。”钱学森后来说，来到加州理工学院，来到冯卡门身边，使他“一下子脑子就开了窍”。在这里，钱学森的思想变得非常活跃。冯卡门每周主持一次工作会议和一次学术活动，周周都开，神圣不可侵犯。在工作会议上，希望每个人都报告自己的工作，不管是教授还是学生，讨论十分活跃，说错了也不要紧。冯卡门的指导思想显然是：所有的人都参加这个集体所从事的工程科学的原始研究，每个人的研究都是重要的工作，希望每个人都能充分发挥自己的学识和经验，并对别人作出贡献。因此这种活动极其成功，深受欢迎。对于钱学森来说，这无疑极大地提高了他自己的学术能力，使他受益匪浅。冯卡门对钱学森的评价也极高：“他是一个无可置疑的天才，他的工作大大促进了高速空气动力学和喷气推进科学的发展。”；“钱的这种天资是我不常遇到的。”；“我发现他非常富有想象力，他具有天赋的数学才智。”；“人们都这样说，似乎是我发现了钱学森，其实，是钱学森发现了我。”2.2 钱学森是在什么环境条件下学习应用力学的航空要解决的首要问题是如何获得飞行器所需要的举力、减小飞行器的阻力和提高它的飞行速度，这正是空气动力学需要研究和解决的课题。钱学森进入空气动力学研究领域的时候，恰恰赶上世界航空工业大转折的时代：从老式的螺旋桨飞机向喷气式飞机发展，飞机正处于追赶甚至超过音速的时代。声音在空气中的传播速度，在一个标准大气压条件下大约为340米/秒（1224千米/时），即音速或称为声速。早年的老式螺旋桨飞机，用活塞式发动机推动，飞行的速度远远低于音速。当时的飞机能够达到时速750千米，就算很不错了。要想提高飞机的速度，必须采用崭新的发动机。20世纪20年代末，英国空军教官弗兰克惠特尔提出了喷气发动机的设想。但在当时，这一设想如同科学幻想，还十分遥远。直到1935年，惠特尔得到银行家的资助，得以成立“动力喷气有限公司”，才终于制成第一台涡轮喷气发动机。与惠特尔同时，德国的冯奥亨也在研制涡轮喷气发动机。1939年8月27日，冯奥亨研制的世界上第一架喷气式飞机试飞成功，成为世界航空史上划时代的事件。涡轮喷气发动机大大提高了飞机的飞行速度，使飞机接近声音的速度，称为“亚音速”飞机。后来，喷气式飞机的飞行速度甚至超过了声速，称为“超音速”飞机。2.3 博士学位论文和“卡门-钱近似”公式往日，科学家们所研究的只是低速飞行动力学。如今，飞机在“亚音速”或“超音速”飞行，空气动力学规律与低速飞行全然不同。要想提高喷气式飞机的速度，必须解决两大科学难题：第一，当飞机的飞行速度提高到亚音速时，气体的可压缩性对飞行器的性能有什么影响，它们之间的定量关系是怎样的；第二，如果想再把飞机的飞行速度进一步提高到超音速时，应该采用什么样的最富有成效的理论指导和技术设计才能实现。冯卡门要求钱学森把这两大难题作为他的博士学位论文的研究课题，从而建立崭新的“亚音速”空气动力学和“超音速”空气动力学。经过3年时间的紧张和艰苦的工作，1939年他完成了极其出色的博士学位论文。论文的内容丰富多采，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；有倾角的回转体的超声速绕流；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。博士论文的第一部分涉及高速飞行体所受到的阻力及表面热效应。那时的科技文献，普遍认为超声速飞行的空气阻力主要来自激波阻力，而表面摩擦阻力并不重要。至于热效应，一般认为飞行体的表面被周围的空气所冷却。解决这一问题的主要困难在于，飞行体周围的空气密度发生显著变化，即所谓压缩性效应，使得方程不再是线性的。钱学森采用简化边界层方程的做法，然后运用逐次近似解法求解非线性方程，取得了成功。他把已知的不可压缩流动的解推广到可压缩流动，即飞行马赫数比较大的情况，得到了关于高速飞行体的阻力和热效应的崭新的重要结论：第一，在高速飞行中，可压缩性对表面摩擦具有重要影响，摩擦阻力大于激波阻力；第二，当飞行马赫数增大到一定数值，飞行体表面的空气薄层中所产生的热量不仅不能被忽略，而且将对飞行体起加热的作用。钱学森的这一研究从理论上预见了实现高速飞行（即声速和超声速）将面临的一大障碍，即“热障”。所谓“热障”，是指飞机在高速飞行时，其表面气流温度很高，会使金属外层强度降低，甚至熔化。这是一个观念的转变，早年在低速飞行时，飞行体周围的空气是冷的，而现在在高速飞行中，空气对飞行体具有巨大的加热作用。因此在设计高速飞行时，必须对飞机表面采取有效的防热或冷却措施，才能持续高速飞行。这一研究成果发表在1938年的Journal of Aeronautical Sciences（航空科学学报）上。“热障”理论是钱学森博士论文中的重大成果之一。博士论文中的另一个重大成果是“卡门-钱近似公式”，这得出于博士论文的第三部分的工作内容：寻求计算高速飞机机翼上压力分布的方法。在那个年代，对于平面超声速流动，可以采用已有的特征线法计算翼面上的压力分布。但对于亚声速流动，已有的方法只能计算机翼很薄或者飞行速度较低的情况。1932年Demtchenko（丹姆千科）以及1933年Busemann（布兹曼）采用查普雷金变换，把原来的非线性方程化为线性方程，然而计算结果只适用于飞行速度小于0.5倍声速的情况。冯卡门凭着对物理问题的洞察力，建议钱学森在求解由查普雷金变换得到的线性方程时，不用驻点处的切线而改用来流状态点处的切线来代替等熵关系曲线，结果可能更好。遵照老师的指导，钱学森通过计算研究证明，虽然同样是切线近似，采用来流状态点处的切线近似，果然得到更为精确的计算结果，而且可以把切线近似的适用范围扩大到高亚声速流动。这就是著名的“卡门-钱近似公式”。这一研究成果发表在1939年的Journal of Aeronautical Sciences（航空科学学报）上。在第二次世界大战期间以及战后相当长一个时期，在现代的计算手段电子计算机出现之前，“卡门-钱公式”被广泛用于飞机机翼形状的设计，特别是应用于计算作用在机翼上的各种力。钱学森刚进入力学界便写出了对空气动力学的发展起重要作用的经典文献，这展示了他过人的才华。“卡门-钱”公式这一成果，使他一跃成为世界著名的空气动力学家。2.4 固体力学1939年6月，钱学森获得航空与数学博士学位。接着留校担任助理研究员，直到1944年。钱学森逐渐成为冯卡门的得力助手，并最终发展为亲密合作者。在19391953年这十多年的时间里，钱学森在固体力学这一重要研究领域进行探索，并作出重大贡献。下面将他工作中的三个部分分别加以分析，即：薄壳稳定性，跨声速流动，高超声速的稀薄气体力学的研究。2.4.1 薄壳稳定性1939年，钱学森获得博士学位后，开始对薄壳的失稳问题发生兴趣。这是因为，早期的飞机都是木结构，外加蒙皮。随着飞机飞行速度的提高，木结构不能适应飞机发展的需要。在20世纪30年代中期以后，航空工业界开始设计和生产全金属壳体结构的新型飞机。这种新型飞机具有质量小、强度高的优点，但当其受到的载荷超过一定数值时，壳体会皱瘪。这种现象称为屈曲，是飞机克服“声障”和“热障”，实现超音速飞行的又一难题。设计师需要知道发生屈曲的临界载荷的大小，然而经典线性理论给出的数值却远高于试验值。因此，要得其解就只能依赖于从相当分散的试验中整理得到的经验关系。为了解决这一矛盾，理论上必须考虑大挠度的影响，可是数学上却遇到了求解非线性方程的困难。在深入研究这一问题之前，钱学森首先对前人的工作作了系统总结 ，剖析了前人理论的优缺点，利用了当时可能得到的试验数据，认为应该从考虑有限挠度的弹性屈曲理论入手，采用能量法求取屈曲临界载荷。钱学森首先研究球壳失稳问题。他认为经典理论之所以失败，在于没有考虑到在加载过程中球壳除了保持球形位形以外，还可能存在位能更低的其它位形。壳体在受到外界干扰时，会从球形位形跃变到位能较低的某个位形。因此有必要区分经典线性理论所给出的“上”屈曲载荷以及壳体发生有限变形而屈曲的“下”屈曲载荷。前者可以在试验中小心避免不对称等初始缺陷而达到，设计所需的临界载荷只能是后者。他运用上述能量跃变原则，计算得到的“下”屈曲载荷值确实和试验值很接近。上述理论很快被学术界和工程界所接受。这一结果发表在1940年的Journal of Aeronautical Sciences（航空科学学报）上。1940年，钱学森进一步将能量跃变原则推广到应用更为广泛的柱壳的情况。柱面薄壳的稳定问题是火箭飞行技术的关键。从1940年开始，钱学森与冯卡门合作，对飞机金属薄壳结构非线性屈曲理论的研究取得了一系列成果，包括外部压力所产生的球壳的屈曲，结构的曲率对于屈曲特性的影响，受轴向压缩的柱面薄壳的屈曲，有侧向非线性支撑的柱子的屈曲，以及曲度对薄壳屈曲载荷的影响等。2.4.2 跨声速流动1940年以后，钱学森又把主要精力放在空气动力学的研究上。20世纪三四十年代，是世界航空工业飞速发展的时代。同时，与飞机设计直接相关的空气动力学理论也在这一时期迅速发展和完善，使得飞机设计逐步摆脱过去纯经验的模式，建立在可靠的理论基础之上。在这一历史性发展中，钱学森作出许多开创性贡献。为突破声障，实现高速飞行，研究跨声速流场是个重要课题。他在1944年和1946年发表在NACA Technical Note上的两篇文章成为跨声速流动理论的经典文献。其中一篇是讨论跨声速流场中的极限线，另一篇是与郭永怀合作撰写的，提出了上临界马赫数的重要概念。对于给定机翼外型，当均匀的可压缩理想气体的来流马赫数逐渐提高到达某一临界数值，飞行体附近的最大流速会达到局部声速，称为临界马赫数。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。他们研究发现，对某一给定外型，在均与的可压缩理想气体来流中，当来流马赫数达到一定h值时，飞行体附近出现超声速的流动区域，流场仍然会是连续的，仍然存在数学上的连续解，这时的来流马赫数即下临界马赫数；当来流马赫数进一步增加时，飞行体附近出现超声速流场，突然会出现不连续的流场，并出现激波，数学解突然不存在，即没有连续解，这时的来流马赫数即上临界马赫数，它标志着流场从连续到不连续的突变。真正有实际意义的是上临界马赫数，而不是以前所注意的下临界马赫数，因而上临界马赫数这一概念的提出乃是一个重大发现。这个重要概念的提出固然是个大胆的设想，但是要论证和计算它的存在则遇到数学求解的困难。描述运动的偏微分方程不仅是非线性的，而且流场中同时出现亚声速和超声速两个相邻的流区，数学上分别对应椭圆型和双曲型的偏微分方程，即使采用查普雷金变换，变成线性方程而求解，也必须解决好变换中的奇点处理问题。钱学森和郭永怀仔细地分析了奇点的性质，正确地得到了经过解析延拓的解，并利用超几何函数的渐进性质，克服了级数收敛缓慢的困难，得到了包括亚声速和超声速流区的整个混合流场，从而进一步确定了上临界马赫数的大小。2.4.3 超高声速流动和稀薄气体力学超级空气动力学稀薄气体力学（Superaerodynamics）这个学科最早是由A.F.Zahm提出来的，他在1934年发表了一篇论文，讨论有关高度稀薄气体的动力学问题。限于当时喷气技术的水平，飞机还到不了空气非常稀薄的高度，所以研究只有纯学术的意义，并没有实际的工程意义。到了四十年代中期，钱学森考虑到，喷气推进技术已经有了长足的进步，飞机的飞行不应受到高度的限制。远程喷气飞机的最优飞行高度估计在100km左右，那里的空气已经非常稀薄，不能当做常规流体力学中的连续介质看待，必须运用超级空气动力学稀薄气体力学的概念和方法来指导飞机的设计。钱学森1946年发表在Journal of Aeronautical Sciences（航空科学学报）上的Superaerodynamics-Mechanics of Rarefied Gases一文，讨论这一流体力学新分支的基本概念和说明某些已经得到的结果，以便引起大家重视，推动这一流体力学分支的发展。后来，“Superaerodynamics”（超级空气动力学）一词很少有人采用，人们普遍采用“Mechanics of Rarefied Gases”（稀薄气体力学）一词。钱学森在这篇文章中首先介绍了分子运动平均自由程l的概念，并用l与物体的特征长度L（或边界层厚度）之比l/L（或l/）形成一个无量纲常数，在由马赫数M和雷诺数Re构成的平面上，以l/为指标把该平面划分为四个区域，即：自由分子流区，过渡区（其特征是分子间的碰撞和分子与物体表面的碰撞同等重要），滑流区和气体动力学区。于是，不同的流动问题可以由M数和Re数两个数值来判断属于哪类流动。然后，钱学森分别讨论了滑流的应力和边界条件，小M数滑流的边界条件，大M 数自由分子流以及流过倾斜平板的自由分子流及其作用下的升力和阻力系数。钱学森在这篇论文中所提出的关于流动区域的划分被人们认为是研究稀薄气体力学的开创性工作。3钱学森对力学的认识3.1 关于力学时代的划分早在1962年1月，钱学森发表了什么是近代力学。1978年12月又发表了现代力学等涉及力学史的重要文章。世界力学史大致的划分是：古代（公元500年以前）；中世纪（公元5001600年）；经典力学的建立时期（公元16401800年，自伽利略、牛顿时期开始）；经典力学进一步发展、分科的时期（公元18001910年，整个19世纪，包括20世纪前几年）。根据钱学森的观点，1910年以后，称为近代力学时期；1960年以后，称为现代力学时期。3.1.1 近代力学时期（19101960年）17世纪末叶，英国科学家牛顿在总结前人工作的基础上提出了力学的三个基本定律，从而奠定了经典力学的基础。随着1819世纪工程技术的蓬勃发展，以及随之而来的自然科学的进展，出现了许多新的力学问题，特别是天体运行的力学问题。它们推动了经典力学的发展，并出现了“分析力学”。这时已经孕育着近代力学的胚胎。钱学森认为，近代力学的起点应该是从20世纪初到60年代。从1910年到1960年这50年，可以称为是“应用力学”时期。这一时期中，人们开始注意到理论和实际的结合。20世纪初虽然已经有了飞机，但要把它转化为航空工业，还有许多理论工作要做。力学工作者对当时新兴的航空技术和航天技术作出了巨大的贡献，堪称时代英雄。近代力学时期的代表人物有路德维希普朗特和冯卡门。普朗特是哥廷根学派的领袖人物，由于他提出并解决了“边界层理论”和“升力线理论”等理论问题，使飞机有了可靠的设计基础，航空工业由此获得发展。后来，冯卡门在流体力学和固体力学方面又做了很多工作。这个阶段中，力学对航空、航天事业的发展起了很大作用。3.1.2 现代力学阶段（始于1960年）在国外，曾经有人认为力学发展到现代，已经到头了，因此很多人转到与力学有联系的其它学科领域了。钱学森却认为，电子计算机和其它新技术的出现，给力学研究提供了很多方法，必将会给力学研究带来一片新的广阔天地。钱学森学识渊博，早年在美国的研究所涉及的学术领域十分广泛，不仅是航空，还有航天；不仅是空气动力学，还有固体力学、结构力学、物理力学、化学流体力学等等，他总是与新兴科学紧密联系，走在科学的最前沿。3.2 力学研究的意义1982年5月，在北京召开的中国力学学会第。二届理事会扩大会议开幕式上，钱学森以力学科学在我国的发展及今后的任务为题发表了重要讲话。他说，力学发展到现在，主要是应用力学，即把力学的基本原理应用到各个方面，解决问题。从这一点出发，力学工作者主要应当为工程设计服务，直接为发展生产服务。力学工作的目标，是建立准确的数学模型，然后用电子计算机求出答案，供工程技术人员使用。计算力学是最经济、效率最高的工程设计方法。钱学森认为，要达到这个目标很不容易，首先要搞清现象的机制机理，在许多基础工作的基础上，建立准确的数学模型。有了数学模型，还要研究发展计算数学，才能有效地利用电子计算机进行计算。钱学森同时还指出，为工程设计服务，是力学工作的主要方面，但不是唯一方面，它的另一个方面是为发展自然科学服务。力学和数学、物理学、化学、天文学、地学、生物学等学科都可以结合，互相服务，互相促进各自学科的发展。力学的这两个方面不能截然分开，而是要经常交流，紧密配合。3.3 对近代力学研究范围的扩展钱学森在一次演讲中指出，应该扩大力学的范围。力学的内容不应只包括应用力学的创始人克莱因时代的固体力学和流体力学，还应该包括弹道学、物理力学、稀薄气体力学、化学流体力学、电磁流体力学等。可贵的是，钱学森在他所列举的上述学科领域里几乎都作出了开创性的贡献，如本文前一部分所述。4 创建物理力学物理力学是钱学森于20世纪50年代初提出和建立起来的一门新兴学科。他编写的专著物理力学讲义，开创了这门学科的发展道路。物理力学的一些内容虽然早已分散在其他学科领域作了研究，但集中起来进行系统深入的研究，当成一门新兴学科加以发展，则是钱学森作出的开创性的贡献。钱学森是物理力学这一学科公认的创立者。4.1 钱学森创建物理力学的学术思想背景1946年，钱学森将稀薄气体的物理、化学和力学特性结合起来研究，这便是物理力学的先驱性的工作。起初的研究目的仅仅是为了搞清火箭推进气体的物理和化学性能。钱学森在美国期间，注意力集中在两个广阔的主题上：一个是如何解决喷气推进系统及喷气推进飞行器在高温、高压、高加热率的极端条件下遇到的问题；另一个是火箭推进的导弹和卫星的发展中，应用高级控制方法的必要性。关于第一个课题，设计喷气推进系统，经常需要知道极端温度下特殊组分气体的性质或者特殊状态下难得见到的液体推进剂的性质。更常遇到的是，想要得到的状态超出了实验所能达到的范围，因此得不到想要的数据。为了解决这类问题，钱学森应用统计力学、光谱学和化学动力学，研究了气体和液体的平衡和输运性质以及气体的热辐射性质等。他凭借深厚的数学和物理功底，开辟了一条通过技术科学解决工程技术问题的新途径。在第二次世界大战中，原子弹的研制和使用，引出了核反应工程的新领域，但在研制中需要知道介质和材料在极高的压力和温度状态下的性能和行为，同样存在上述缺乏数据的困难。钱学森敏锐地意识到，在火箭技术、核能技术等重要领域，迫切需要高温、高压、超高温、超高压及放射线作用等条件下介质和材料的性质，诸如本构关系、输运性质及化学反应的平衡和动力学的数据等。然而实验却遇到很大困难。钱学森考虑到近代物理学和化学的发展，对物质在原子核以外的微观结构已有相当的了解，有条件建立一门新的技术学科，即他称为“物理力学”的这一新兴学科。其目的是通过对物质的微观分析，把有关物质宏观性质的实验数据加以总结和整理，找出规律，得到需要的数据，并且可以预见新兴材料的宏观性质，为发展新材料和新工艺服务。他在1952年的开创性论文中指出，科学家利用统计力学来证实分子模型的合理性，工程师则必须反其道而行之，利用统计力学，从已知并且可靠的分子模型出发，推导出工程材料的宏观性质。钱学森发表了液体特性、气体在高温高压下的热力学性质等数篇论文。他将物理力学这个新学科应用于液体性质和极高温度下气体的性质，于1953年发表了具有科学史意义的文章Physical Mechanics, a New Field in Engineering Science。他正式提出物理力学的概念，主张从物质的微观规律研究确定其宏观力学特征，取得了开创性的成就，改变了过去只靠实验测定力学性质的方法，大大节约了人力物力，并开拓了高温高压的新领域。1953年，钱学森在加州理工大学正规地开了一门物理力学课程，并用英文为此编写出一套物理力学讲义。该书归纳了物理力学的基本概念和研究方法，也介绍了他所作的代表性的工作，系统地阐明了物理力学的目的。60年代初，钱学森在中国科技大学再开物理力学课程时，主持将物理力学讲义翻译为中文。1962年，世界上第一本物理力学讲义由科学出版社正式出版，至今仍被用作物理力学课程的参考用书。该书后来被翻译成俄文在苏联出版。1957年，钱学森在论科学技术一文中，明确地把物理力学作为科学技术新的发展方向之一。他指出：“这门技术科学的目的是由物质的微观结构，原子、分子的性质，通过统计物理的方法来计算物质的宏观性质，这里也包含材料强度的物理理论。这也就是说我们希望用计算的方法来得到工程用的介质和材料的性质。这是一个节省时间、人力和物力的很上算的方法。虽然近代物理和化学的成就是很大的，但是要完全靠它们来推演出物质的宏观性质还是不可能的，在很多地方，我们要采用半理论、半经验的方法来解决问题。这也说明了物理力学的内容和研究方法与统计物理、物理化学、化学物理是有所不同的。物理力学要在这些自然科学的基础上，更进一步结合实际，求对工程技术有用的结果。”4.2 钱学森创建物理力学的实践历程50年代，钱学森回国后，积极建议把在我国建立物理力学的内容列入全国12年科学发展远景规划，把物理力学列为边缘学科之一。1956年和1962年我国的两次自然科学规划中都列入了这门科学，并列为重点。钱学森立志要在我国建立一支物理力学研究队伍并设定了一个扎实的三步走计划。第一步是建立物理力学的人才队伍，首先由大学生开始组成一个初级研究队伍；第二步是开展有指导的研究训练；第三步是承担国家建设任务，解决工程技术中的实际问题，融入科学技术的大军之中，成为国家科技队伍中的一员。第一步，1956年，钱学森在力学研究所成立了一个物理力学研究小组，并亲任组长。先招收大学生做研究实习员，在他的指导下自学他编写的物理力学讲义，每周举行读书报告会，为扩大队伍作准备。1958年，成立中国科学技术大学时设立化学物理系，内设物理力学专业，他本人亲临授课。从前三届毕业生中吸收了共约40名学生组成了研究实习员队伍，1962年还招收了一届研究生。他对物理力学发展前途的无限信心和对后辈的殷切期望充分地流露在他鼓励学生们的言语之中：“我们只是物理力学的第零代，你们才是真正的第一代。”1962年底，在力学研究所成立了物理力学研究室。到1956年，物理力学研究室已经发展到50人，建立了一个初具规模的高温激波管实验室，初步建立起一支具有攻坚能力的研究队伍，并承担了若干国家任务。第二步，是知道研究实习员开展研究工作。研究工作分为4个课题组，分别为高温气体、高压气体、高压固体和超临界物质。钱学森亲自制定了研究方向和选题工作，其原则是：首先要有实用背景，是国家发展工程技术所需要的；其次要考虑设定水平的先进性和具有物理力学特色；第三要有良好的可行性。其中实用的观点始终是第一的这一条是有组织的定向科学研究所不可缺少的，这是组织者的责任，正如钱学森本人所说，这个责任是他的。第二条则是保证与工程技术和基础研究的协调，使其成为有用的、受欢迎的必要条件，而不与需求发生冲突。第三条是对路线的判断要切合实际。钱学森在选题方面为物理力学的开展奠定了基础，在指导研究工作方面也有特殊的方式：先选拔任命课题组长，其任务是落实研究方向，组织研究工作，组长与组员是学术研讨的关系，并负责向钱学森汇报工作进展。在全体人员每周一次的学术讨论会上，研究人员轮流做学术报告，钱学森通过提问引导大家开展讨论。每次会议他都做一个总结发言，这个总结发言往往对所讨论的问题提出更为清晰的剖析而使大家受益匪浅。当时许多研究课题即来源于这样的讨论会。第三步，推进物理力学的发展，使物理力学走上担当国家任务的道路。这一方面是靠钱学森在学术界的影响力，把物理力学推向国内学术界；另一方面是他在力所能及的范围内与工程部门建立承担委托任务的合作关系。通过钱学森精心组织的研究工作和坚持不懈的努力推广，1966年2月，在他的倡议下成立了中国力学学会第一届物理力学专业委员会，并在北京科学会堂召开了全国第一届“原子分子物理与物理力学学术讨论会”。会议聚集了全国重要的工程技术界与科研院所的专家，共同研讨从当前到未来工程技术发展的需求与挑战，以及今后共同携手合作的有关问题。他在会上作了如何从原子分子物理出发搞发明创造的重要报告，指明了当时条件下发展物理力学的最佳途径是从原子分子物理出发。这一号召还起到动员一大批原子分子物理学者转向物理力学，或有意识地与物理力学研究结合起来的作用。这是一个创造，对推动这两门学科的发展与结合，起到了非常重要的作用。50年来，根据世界科技发展状况向物理力学提出的新要求和所提供的新条件，钱学森先后四次调整和发展了物理力学的规范，对物理力学在我国持续发展起到了推动作用，使物理力学在我国得以顺利发展并建立起来。（1） 在1966年第一届全国物理力学学术讨论会上，钱学森根据当时计算能力比较差，但原子分子物理无论在世界还是在我国都有长期积累的状况，提出许多新观点和新思想，对推动物理力学的发展起了很大的作用。（2） 在1978年的全国力学规划会议上，他建议采用苟清泉提出的“细观”概念，从此细观力学的概念得到公认，并明确纳入物理力学的范畴，成为物理力学在固体力学问题上的当时的侧重方向。（3） 1985年，虽然统计力学已经取得很大进展，但是在简化近似方法的基础上完成实际物理力学计算的能力仍然很有限。另一方面，随着计算机能力的迅猛增强，国际上开始兴起量子力学密度泛函理论与分子动力学相结合的计算方法。钱学森看到这一方法会使物理力学解决实际问题的能力大大提高，研究面貌大为改观，由此向苟清泉和崔季平建议，把巨型电子计算机的计算能力用到固体物理力学的研究中去，从量子力学开始，严格地计算，尽量不用简化和近似方法，这就明确指出固体强度问题也要走微观道路。（4） 1993年，钱学森在给崔季平研究员的信中指出，物理力学的范围应包括纳米材料的性质研究，并建议崔季平成立一个研究所，以促进物理力学的进步。4.3 改革开放以来钱学森对物理力学的贡献改革开放以来，钱学森虽然已经离开了中科院和力学所，但他对物理力学的关心并没有减退，并且更加关注其发展。在1978年召开的全国力学规划会议上，他亲临讲话，强调力学的技术科学性质和力学的微观化道路。在他的倡导和努力下，物理力学被列入规划重点发展的边缘学科之一，同时决定在力学所恢复物理力学研究室，并争取分散到其他部门工作的物理力学工作者归队，还招收研究生，培养新生力量，而且鼓励其他有条件的高等院校开展物理力学的研究。在他采取的一系列举措的推动下，到1986年便恢复成立了第二届物理力学专业委员会和每三年一次的全国物理力学学术讨论会。现在物理力学研究队伍已经相当壮大，主要集中在中国科学院、钢铁研究总院、航天系统、总装备部、清华大学、四川大学、中国科技大学和浙江大学等几十个单位。为了进一步发展物理力学，原有的原子与分子物理并不够用，尚需针对物理力学发展的需要发展应用原子分子物理。钱学森很重视这一点。1984年11月16日，他收到原子与分子物理学报的创刊号后，次日便给学报主编苟清泉写信，提出原子与分子物理今后的主要发展方向应从理论转向应用的建议，即发展应用原子与分子物理，成为工程师设计产品的工具，建立“原子与分子工程”，希望一部分原子与分子物理学家转为原子与分子工程师。苟清泉认为钱学森的建议很重要，具有深刻的创见，将信转交有关专家传阅，都很赞成。根据钱学森的建议和高新技术发展的需要，四川大学与中国工程物理研究院西南核物理与化学所联合建立了“原子与分子工程研究所”，积极开展这方面的研究工作。5 钱学森对中国力学事业的发展做出的贡献钱学森是新中国力学事业的主要奠基人之一，这是中国科学技术界一致公认的。他是中国科学院力学研究所的主要创始人之一，第一任所长。他对我国的力学事业有全面而深刻的影响，他是我国重要力学科研机构和基地的创始人或首任领导。他又是中国科学院与清华大学力学研究班、中国科学技术大学近代力学系的创始人。他还创建了我国力学学会和空气动力学学会，分别担任两个学会的首任理事长和名誉理事长。5.1 创建新中国第一个国家级力学研究机构中国科学院力学研究所1955年10月8日，钱学森回到祖国，10月28日抵达首都北京，立即投身到祖国建设之中。按照组织安排，他首先到东北考察了科学技术和工业发展的情况。考察结束回到北京后，钱学森就向科学院领导汇报了发展祖国力学事业的设想。1956年1月5日，中国科学院召开当年第一次院务会议，会议的第一项议程就是讨论成立力学研究所。钱学森提出了建立力学研究所的方案，即准备建立弹性力学、塑性力学、流体力学、物理力学、化学流体力学、自动控制、运筹学7个研究室。会议通过了成立力学研究所的决定。1月16日，陈毅副总理亲笔签署批复了科学院关于成立力学研究所的报告。随后，中国科学院发文，任命钱学森任力学研究所所长，钱伟长任副所长。从钱学森回国到力学研究所成立，总共不到3个月时间，这可能是科学院成立最快的一个研究所了。新建的力学研究所超出了传统的力学研究范围，完全按照钱学森的科学思想建立，实际是一个综合性的科学研究所。钱学森的建所思想主要有以下几点：（1） 技术科学是介于自然科学与工程之间的一门独立的学科，也可以称之为桥梁。技术科学不是工程，它的主要任务是领导工业的发展，以新概念、新理论、新技术、新方法来武装工业，带动工业前进，并促使它不断发生质的飞跃。反过来，要求从事技术科学的科学家根据自然科学与工程的现状和发展趋势，有远见地选定超前的研究课题，不断开拓新的领域。（2） 技术科学研究的对象是工程环境下的复杂系统，必须是最大限度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捕捉住主要矛盾，提炼出清晰的物理机制，建立数学模型，通过计算，得出观测或实验相一致的结果，并据此得到工程上有用的定量预测。（3） 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。从这个意义上讲，它是关于工程的基本理论。除应用力学以外，技术科学还应当包括更为广泛的内容，如凝聚态物质、电子学、核反应、核能和核工程、金属的塑性加工成型、运筹学、工程控制论、计算技术、工程光谱学、工程经济学等。技术科学的内容不仅在内涵上要不断深化，而且在外延上也决不可故步自封。（4） 技术科学工作者应很好地掌握数学，使它成为自己的工具。还要有坚实的自然科学基础，熟悉工程技术中的方法和问题，能把工程技术中的实际问题提高到自然科学规律的水平上来研究。在开发一种新的工程技术时，技术科学工作者首先要能对其可能性、可行性和克服困难的主要途径作出判断。19561984年，钱学森长期担任力学研究所所长职务，由于他的远见卓识，使我国力学在许多重要的领域都开辟了新的方向，如超高声速的研究、爆炸力学、电磁流体力学、物理力学、弹性力学、塑性力学、化学流体力学等，都是在他的积极倡导与推动下，经过几十年的努力工作发展起来的。如今，这些学科的研究成果是在航空、航天、国防、化工及其他国民经济建设中，都为国家获得了实际的效益。5.2 中国空气动力研究与发展中心的奠基者钱学森是中国空气动力研究与发展中心的奠基人。中国空气动力研究与发展中心的前身是中国空气动力研究院。早在1964年初，钱学森就根据国家安全和经济建设的需要以及空气动力学事业发展的状况，建议成立全国的空气动力研究院，以“集中力量，形成拳头”。这个建议得到了当时主持科学技术工作的聂荣臻副总理的大力支持，并由此成立了16个专业组。1967年8月，气动研究院筹备组正式开始工作，钱学森亲任筹备组组长，主持制定了基地建设规划。1968年，经党中央、国务院批准的气动院建设拉开了帷幕。据不完全统计，自那时起到1978年5月到气动中心检查指导工作为止，钱学森关于气动中心建设的讲话和信函有28次（件）之多，根据记录整理出来的材料达45000字以上。1968年，我国进行某型号导弹飞行试验时，由于防热设计不过关，弹头壳体进入大气层时被烧穿。钱学森得知这一情况后，明确提出要像打“淮海战役”那样攻克弹头烧蚀防热课题。气动热研究专家方德润带领课题组从解剖电焊机开始，一个部件一个部件地改进，一步一个脚印地攀登。终于，我国第一台电弧加热器成功地用于某型卫星的回收舱。后来，他们又研制出亚洲最大的电弧加热器，应用于某型号导弹烧蚀防热试验后，为改进该型号导弹防热设计提供了宝贵的数据。后来，钱学森又多次给气动中心主任写信，要求对某些重要的技术问题及其发展动向予以关注。钱学森为建设气动中心倾注了大量心血，气动中心的发展也证明，他关于中心的性质、功能、任务、构成、设备以及长远科技发展等等的精心指导，是英明的、成功的，并且对于当前实现“国家中心，世界一流”的目标仍具有重要的指导意义。5.3 为我国现代力学事业开辟了正确的发展道路钱学森领导制定了全国12年科学发展远景规划和1962年科学规划中的力学规划，创建了对我国力学和国家建设产生深远影响的一系列新学科。他从多方面关心我国力学事业的发展，经常提出指导性意见或建议。比如，1972年，他积极支持钱令希教授提出的要将近代计算技术与结构力学相结合，发展结构优化理论的思想。在1977年研究力学规划、讨论力学学科的性质时，指出力学兼有基础学科和应用学科的性质，并及时提醒力学界的科学技术专家们：“近代力学实为应用力学。”1978年，全国力学规划会议上，钱学森用“现代力学”一词强调要走近代计算机与力学相结合的道路，摆脱过去计算模型过分简化的局限，并且将宏观和微观相结合，把力学推向新的发展阶段。他多次强调力学要走以计算为主，辅以精细实验的道路。他写信给中国科技大学，建议在近代力学系里建立以材料设计为目标的专业。他还多次向苟清泉和崔季平教授写信，提出发展物理力学的建议。1961年，钱学森在总结了大跃进期间力学界的经验教训以后，在人民日报上发表了一篇重要文章近代力学的内容和任务，系统阐述了近代力学的任务、工作方法、内容和发展方向，及时指引全国力学事业回到正确的发展轨道。他认为，近代力学的任务具体说来有三项：第一，为工程师、设计师服务，帮助他们解决生产实践中遇到的新问题。根据力学理论进行分析研究，然后提供建议书。第二，从工程技术和生产实践中提炼出具有一般性的课题作为新的力学理论来研究。这样就不只是解决个别的具体问题，而是解决一系列的实际问题。第三，在掌握了生产实践知识和力学理论的基础上，有新的科学创见，改进工程技术，改造生产。他在谈到以上三项任务时，始终围绕着力学工作者必须用理论解决工程技术问题这一核心，这对于广大力学科研人员的工作起到重要的指导作用。他指出，近代力学离开理论基础就解决不了问题，而离开生产实践就失去其生命力。在开展科学研究的格局上，钱学森主张要分成三个层次来解决问题，即：中国科学院的研究所、工业部门的研究所、企业的研究所。他认为，科学院的研究所应该解决带有方向性、共同性的问题，其最大的任务是在领导科学技术的发展中，要彻底了解工程技术的世界水平，提出未来10年、15年的发展方向。他还认为，科学研究应该走在工业的前面，给工业指导方向，而不是等工业上有了什么问题，才被动地去解决。钱学森1995年还给中国力学学会写信，谈他对今日力学的认识。他在总结整个20世纪力学发展情况的基础上，发表了对力学的性质和对象以及力学的研究方法的精辟见解： 从过去100年来力学发展的情况看，力学是一门处理宏观问题的学问，它包括相对论，但不包括量子理论。它是用理论，通过具体数字计算解答一个个实际问题。这些问题在过去都来自工程技术，但今后也会来自自然科学的研究，如对星系的运动发展。 力学是要对实际问题做出数字解答，当然要用电子计算机。这就是两方面的问题：一是对计算机的要求，看来是不会有上限的；今天已有每秒数十亿次的计算机，力学也欢迎将来每秒万亿次的巨型计算机。二是计算方法的问题，这也需要不断研究改进。 力学工作也会遇到一时解决实际问题的理论方法尚不能认为有十分把握，怎么办？这时就要设计一个实验，用实验来验证理论的关键部分。如现在要设计超声速燃烧的冲压发动机，就要作爆炸风洞的试验。试验时间还不到十分之一秒，就足够验证理论的正确性了。有了对理论的把握，就可以心中