钱学森

        钱学森,著名科学家。1911年12月生,浙江省杭州人。1934年毕业于上海交通大学机械工程系,1936年获美国麻省理工学院航空工程硕士,1939年获美国加州理工学院航空、数学博士。1955年回国,先后任中国科学院力学所所长,第七机械工业部副部长,国防科工委副主任,中国科协主席等职。中国科学院院士,中国工程院院士。曾获得国家自然科学一等奖,国家科教进步特等奖,“国家杰出贡献科学家”荣誉称号和一级英模奖章。
        钱学森在空气动力学、航空工程、喷气推进、工程控制论、物理力学等技术科学领域做了许多开创性工作,为中国火箭、导弹和航天事业的创建与发展做出了卓越贡献,是中国近代力学和系统工程理论与应用研究的奠基人和倡导人。他参与部署并成功地组织了中国第一枚近程导弹、中近程导弹的制造和飞行试验,以及用中近程导弹运载原子弹的飞行试验;在中国最早研究了星际航行理论的可行性,为中国第一颗人造卫星的研制解决了许多关键技术问题。他还在更广阔的学术领域从事研究工作,对运筹学、系统工程、系统科学、现代科学技术体系理论、人体科学、思维科学、地理科学等,均做出了开创性的贡献。其学术思想集中体现在他的3本专著,11本文集和400余篇学术论文中。
        钱学森,1911年12月11日生,浙江杭州人。
        1929年钱学森毕业于北京师范大学附属中学理工科高中,同年考入上海交通大学机械工程系,1935年秋入美国麻省理工学院航空工程系学习,1936年夏获硕士学位,随即转入美国加州理工学院航空系,攻读博士学位,于1939年夏获航空及数学博士,并留校作研究工作,先后任航空系讲师、副教授;1946年转入麻省理工学院任航空系副教授,1947年任空气动力学教授。在这段时间曾担任美国空军及海军科学技术咨询工作。
        钱学森于1955年回到祖国,曾任中国科学院力学研究所所长,国防部第五研究院院长,国务院七机部副部长,国防科委副主任,国防科工委科技委副主任,中国科协主席等职。钱学森现在的职务是全国政协副主席、中国科协名誉主席。中国科学院院士,中国工程院院士。
        钱学森是我国著名科学家,他对我国的火箭、导弹和航天事业曾作出过杰出的贡献。同时钱学森还在极为广阔的领域从事科学研究工作,他涉猎的范围从流体力学到弹性薄壳理论;从工程控制论、物理力学,到运筹学、系统工程、系统科学;再到现代科学技术体系理论、人体科学、思维科学、地理科学等。除3本专著外,还有各种文集共11本,学术论文约400篇。
        1957年钱学森获得中国科学院自然科学奖一等奖;1979年获美国加州理工学院“杰出校友奖”(The Distinguished Alumni Award);1985年获国家科技进步特等奖;1989年获国际理工研究所颁发的“Rockwell, Jr. 奖章”,并授予“世界级科学与工程名人”和“国际理工研究所名誉成员”称号;1991年被国务院、中央军委授予“国家杰出贡献科学家”荣誉称号和一级英雄模范奖章。
        1956年2月17日,刚刚回国不久的钱学森提出了我国“国防航空工业”的组织草案发展计划和具体步骤,并受命负责组建我国第一个火箭、导弹研究院——国防部第五研究院。在这里,钱学森开始了作为新中国火箭、导弹和航天事业技术领导人的长期经历。1958年5月29日,聂荣臻元帅同黄克诚、钱学森一起部署了我国第一枚近程导弹的制造工作。1960年11月5日,钱学森作为试验委员会副主任,在我国酒泉发射场成功地组织了我国制造的第一枚近程导弹的飞行试验,这是我国军事装备史上一个重要的转折点。1964年6月29日,我国第一个自行设计的中近程导弹飞行试验获得成功。1966年10月27日,钱学森协助聂荣臻元帅,在酒泉发射场直接领导了用中近程导弹运载原子弹的“两弹结合”飞行试验,导弹飞行正常,原子弹在预定的距离和高度实现核爆炸。这次史无前例的试验标志着中国开始有了用于自卫的导弹核武器。
        早在1953年,钱学森就研究了星际航行理论的可行性。1958年,中国科学院成立以钱学森为组长的领导小组,负责筹建人造卫星、运载火箭以及卫星探测仪器和空间物理的设计、研究机构。1961年6月,在钱学森、赵九章等人的倡导下,中国科学院开始举办了持续12次的星际航行座谈会,钱学森在第一次座谈会上发表了题为《今天苏联及美国星际航行火箭动力及其展望》的讲演。1963年,中国科学院成立了由竺可桢、裴丽生、钱学森、赵九章领导的星际航行委员会,负责组织制订星际航行发展规划,安排预先研究课题。1965年1月8日,钱学森正式向国家提出报告,建议早日制订我国人造卫星的研究计划并列入国家任务。中央专门委员会于1965年原则批准了我国第一颗人造卫星的规划方案,以及争取在1970年左右发射我国第一颗人造卫星的设想。钱学森为解决人造卫星研制中的许多关键问题贡献了智慧。譬如,1966年6月下旬,第一颗人造卫星的运载火箭“长征一号”,为解决滑行段喷管控制问题而进行的滑行段晃动半实物仿真试验,出现了晃动幅值达几十米的异常现象,钱学森亲临现场,在讨论中认定:此现象在近于失重状态下产生,原晃动模型已不成立,此时流体已呈粉末状态,晃动很小,不影响飞行。后来多次飞行试验证明,这个结论是正确的。在“文化大革命”期间,钱学森协助周恩来总理,为领导人造卫星计划的正常进行,发挥了特殊作用。譬如,由于“文化大革命”,“长征一号”运载火箭试车无法进行,周恩来总理委派钱学森协同七机部军管会副主任杨国宇全权处理有关试车事宜,从而得以在8月22日取得试车成功。1970年,在周恩来总理的直接关怀下,钱学森等在酒泉卫星发射场组织实施了第一颗人造卫星的发射工作。1970年4月24日,重量为173公斤的我国第一颗人造卫星发射成功。这颗卫星向全世界播送的《东方红》乐曲,宣告新中国迎来了航天时代的黎明。
        钱学森以他在总体、动力、制导、气动力、结构、材料、计算机、质量控制等领域的丰富知识,为组织领导中国火箭、导弹和航天器的研制工作发挥了巨大作用,他对中国导弹航天事业的发展作出了重大贡献。
        此外,钱学森还在以下广阔的学术领域从事研究工作,并作出了开创性的科学贡献。
        应用力学
        1. 1938年,钱学森在美国与冯.卡门合作进行的可压缩流动边界层研究,提示了即使一个运动的热体与外界冷空气在某一飞行马赫数时有相当的温度差,对物体的冷却仍逆变为加热。钱学森和冯.卡门给出了发生这种逆变的马赫数计算公式。这一理论结果后来发展的垂直起飞火箭有关。
        2. 钱学森在1939年发表了关于可压缩流体二维亚声速流动的研究结果,冯.卡门1941年发表了关于空气动力学中高速效应的研究成果。他们对翼上的压缩作用共同提出了一个更普遍一些的修正,不用小扰动这一假设,而是基于经过他们修正的流动方程的另一种线性化,使它能应用于高速流动,特别是应用于计算作用在翼型上的诸力。卡门-钱学森方法能给出某一速度范围内的满意结果。
        3. 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。根据他们的研究指出,真正有实际意义的是上临界马赫数,而不是以前大家所注意的下临界马赫数,这是一个重大发现。
        固体力学
        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。结果说明过去理论的缺点在于忽视了大扰度非线性影响。
        喷气推进与航天技术
        1936年,钱学森在美国参加马林纳领导的火箭研究小组,在冯.卡门指导下,与马林纳一起研究火箭发动机的热力学问题、探空火箭问题和远程火箭问题等,并参与了美国早期用可储存液体推进剂的几种试验性火箭,如1945年“女兵下士”探空火箭和后来的“下士”导弹研制工作。
        从40年代到60年代初期,钱学森在火箭与航天领域提出了若干重要的概念。在40年代,提出并实现了火箭助推起飞装置(JATO),使飞机跑道距离缩短;在1949年,提出了火箭旅客飞机概念和关于核火箭的设想;在1953年,研究了行星际飞行理论的可能性;在1962年出版的《星际航行概论》中,提出了用一架装有喷气发动机的大飞机作为第一级运载工具,用一架装有火箭发动机的飞机作为第二级运载工具的天地往返运输系统概念。
        工程控制论
        钱学森在40年代末、50年代初对第二次世界大战后迅速发展的控制与制导工程技术实践进行全面观察时,以敏锐的眼光,发现、提炼出了指导控制与制导系统设计的普遍性概念、原理、理论和方法,从而创建了作为一门技术科学的“工程控制论”。
        工程控制论在其形成的过程中,把设计稳定与制导系统这类工程技术实践作为主要研究对象。钱学森本人就是这类研究工作的先驱者。1951年,钱学森研究了一种探空火箭的最优推进的设计,即求探空火箭的最优弹道问题,要求提出一条理想弹道,在相同的燃料消耗条件下,使火箭达到的高度最大。由于这种弹道很长,而弹体上控制系统的动作速度相对于这条最优弹道来说是足够大的,钱学森在考虑最优弹道的选择时,把弹体看成是其重心(质心)的运动,而略去刚体运动及弹上控制设备的运动规律,成功地实现了古典变分法对这类问题的应用。钱学森从这里提炼出一种普遍性的看法——针对在整个运动过程中受控对象本身的特性并不重要,重要的是运动规律全局情况,即可以不考虑受控对象的运动方程式的情况下,古典变分法给控制系统设计提供了一种理论与方法。
        第一版《工程控制论》原是用英文写的,1954年由麦克劳.希尔(McGraw-Hill)图书公司在美国出版。此后,俄文版、德文版、中文版相继出版。书中所阐明的基本理论和观点,一方面奠定了工程控制论的基础,另一方面指出了进一步研究的方向,对自动化科学技术理论的进展起了重要作用。该书不断为世界各国科学技术工作者所引证和参考。
        物理力学
        钱学森在1946年将稀薄气体的物理、化学和力学特性结合起来的研究,是先驱性的工作。1953年,他正式提出物理力学概念,主张从物质的微观规律确定其宏观力学特性,改变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。1961年他编著的《物理力学讲义》正式出版。
        系统工程
        钱学森在组织领导我国火箭、导弹和航天器的研究发展工作中,学术上最重要的贡献是发展了航天系统工程。
        钱学森运用并发展了他在喷气推进工作中获得的经验,从50年代后期中国航天计划开始实施的时候起,他就和广大干部、科技人员在周恩来总理和聂荣臻主任领导下,把当时苏联航空技术发展中的总体设计部和我国行政组织管理的实际结合起来,这也就是今天称为航天系统工程的组织管理。
        钱学森不仅将我国航天系统工程的实践提炼成航天系统工程理论,并且在80年代初期提出国民经济建设总体设计部的概念,还坚持致力于将航天系统工程概念推广应用到整个国家和国民经济建设中,倡导并发展了军事系统工程、社会系统工程、农业系统工程、地理系统工程等。
        系统科学
        1956年,钱学森创建了我国第一个运筹学研究组,并把这个研究组作为他负责组建的中国科学院力学研究所的组成部分。钱学森和许国志通过这个研究组开辟了运筹学面向我国社会主义经济建设的发展方向。作为一个有远见的科学家,他在当时已预见到运筹学不单要研究现有武器装备的运用,而且更要研究未来武器装备的规划与运用。因此,他在国防部第五研究院创建了我国第一个军事运筹学研究机构——“作战研究处”,开辟了运筹学面向我国武器装备规划、论证的一个发展方向。这可以说是我国国防系统分析研究工作的起源。
        从1978年春天开始,钱学森为促进运筹学、系统工程、系统分析在我国的发展,作出了重要贡献。他先后在北京、成都、昆明、长沙发表了一系列学术讲演。这些讲演的见解,后来集中表达在1978年9月27日公开发表的论文《组织管理的技术——系统工程》中。
        有了系统分析、系统工程、控制论、运筹学和作战模拟,从现代科学技术体系的认识考虑,系统科学的概念就形成了。
        钱学森对系统科学最重要的贡献,是他发展了系统学和开放的复杂巨系统的方法论。1990年钱学森同于景元、戴汝为合作,在《自然杂志》13卷1期上发表了论文:《一个科学新领域——开放的复杂巨系统及其方法论》,这篇论文是系统学发展的里程碑。它首次提出处理开放的复杂巨系统只能用从定性到定量综合集成法。它是建立在科学理论、经验知识和专家判断力相结合的基础上,首先提出经验性假设(判断或猜想),而这些经验性假设不能用严谨的科学方式加以证明,往往是定性认识,但可用经验性数据和资料,以及几十、几百、上千个参数的模型对其确实性进行检测,这些模型也必须建立在经验和对系统的实际理解上,经过定量计算,通过反复对比,最后形成结论,这样的结论就是我们在现阶段认识客观事物所能达到的最佳结论,是从定性上升到定量的认识。这个方法就其实质而言,是将专家群体(包括各种有关专家)、数据和各种信息与计算机技术有机地结合起来,把各种科学理论和人的经验知识结合起来。这个方法应用的成功,就在于发挥了这个系统的整体优势和综合优势。钱学森在1992年进而提出了从定性到定量的综合集成法的应用形式,即综合集成研讨厅体系。钱学森的系统科学思想,使人们认识到开放的复杂巨系统具有科学与经验相结合的本质,并指导人们运用一种科学的途径去寻求科学与经验相结合的解答。
        思维科学
        人工智能已成为国际上的一大热门,但学术思想却处于混乱状态。在这样的背景下,钱学森站在科技发展的前沿,提出创建思维科学(noetic science)这一科学技术部门,把30年代中国哲学界曾议论过,并有所争论,但在当时条件下没法讲清楚的主张,科学地概括成为思维科学。比较突出的贡献为:
        1. 钱学森在80年代初提出创建思维科学技术部门,认为思维科学是处理意识与大脑、精神与物质、主观与客观的科学,是现代科学技术的一个大部门。推动思维科学研究是计算机技术革命的需要。钱学森把思维科学划分为思维科学的基础科学、思维科学的技术科学及思维科学的工程技术三个层次。思维科学的基础科学是研究人有意识的思维规律的学问,称为思维学。思维学又可细分为四个部分:
        (1)抽象(逻辑)思维学 抽象思维是可用计算机来代替人脑工作的那部分思维。
        (2)形象(直感)思维学 形象思维建立在经验或直感的基础上,主要研究人类根据经验或直感产生智能的行为,以及如何用计算机实现这一过程,并使之上升为理论。
        (3)灵感(顿悟)思维学 灵感思维是形象思维的扩展,由直感的显意识扩展到灵感的潜意识。
        (4)社会思维学 社会思维是研究人作为一个集体的思维,以及如何利用人类过去积累的知识。
        在技术科学这一层次,包括结构语言学和数理语言学模式识别、情报学和科学方法论等。思维科学中直接改造客观世界的学问属于工程技术层次,如人工智能、计算机软件工程、密码技术、情报资料库技术、文字学和计算机模拟技术及其他。钱学森提出,认知心理学就是上升到精神(mentalics)也还是人体科学基础学科层次,属人体科学大部门,而思维学属思维科学大部门。研究意识,研究人的思维,一条路是研究脑,走脑科学的道路,这条路非常长,短时间内不会有结果;另一条是走思维科学的道路,依靠思维科学内部的一些方法来研究。
        2. 钱学森主张发展思维科学要同人工智能、智能计算机的工作结合起来。他以自己亲身参予应用力学发展的深刻体会,指明研究人工智能、智能计算机应以应用力学为借鉴,走理论联系实际,实际要理论指导的道路。人工智能的理论基础就是思维科学中的基础科学思维学。研究思维学的途径是从哲学的成果中去寻找,思维学实际上是从哲学中演化出来的。他还认为形象思维学的建立是当前思维科学研究的突破口,也是人工智能、智能计算机的核心问题。
        3. 钱学森把系统科学方法应用到思维科学的研究中,提出思维的系统观,即首先以逻辑单元思维过程为微观基础,逐步构筑单一思维类型的一阶思维系统,也就是构筑抽象思维、形象(直感)思维、社会思维以及特异思维(灵感思维)等;其次是解决二阶思维开放大系统的课题;最后是决策咨询高阶思维开放巨系统。钱学森最近则进一步将思维科学的研究概括为:逻辑思维(微观法)、形象思维(宏观法)及创造思维(微观与宏观的结合),并指出,逻辑思维和形象思维是手段,创造思维才是智慧的源泉。逻辑思维可以由机器(即计算机)去干,形象思维则可以采取人机结合的方式,由机器干一部分。钱学森还将思维科学和系统科学结合起来,提出了建立大成智慧工程和大成智慧学的思想,即根据系统科学的理论和方法,利用信息技术的手段,可以将古今中外的知识和经验统统集成起来,为人类服务。

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