工程和工程科学

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1、第39卷第6期力学进展Vol.39No.6 2009年11月25日ADVANCES IN MECHANICSNov.25,2009 工程和工程科学* 钱学森 1 引 言 人们回顾半个世纪以来人类社会的进步,无 不对技术和科学研究作为国家和国际事务的一个 决定性的因素的重要性,所受到重视程度的巨大 提高有深刻的印象.很显然,虽然在早期,技术与科 学研究是以未加计划的、 个体的方式进行的,可是 到了今天,在任何主要国家,这种研究都是受到认 真调控的.因而,如同长期以来的农业、金融政策 或者外交关系一样,技术与科学的研究现已成为 国家的事情.认真考察为什么研究工作的重要性 得到如此重视,自然地会得出

2、这样的答案,即研究 工作现在是现代工业整体中的一个组成部分,不 提到研究工作就谈不上现代工业.既然工业是国 家实力和福利的基础,技术与科学的研究就是国 家富强的关键. 人们也许会说,在工业时代的开创时期,技术 与科学的研究就与工业发展有关,那么为什么今 天把研究工作说得如此重要？这个问题的答案是, 处于国内和国际竞争的需要,迫使现代工业必须 以越来越高的速度发展.做到如此高的发展速度, 就必须大大强化研究工作,把基础科学的发现几 乎马上用上去.也许没有什么比把战时雷达和核 能的发展作为更突出的例子了.雷达技术和核能 的成功开发为盟方取得第二次世界大战的胜利做 出了重要贡献是公认的事实.短短数年

3、,紧张的研 究工作把基础物理学的发现,通过实用的工程,变 成了战争武器的成功应用.这样,纯科学的现实与 工业的应用之间的距离现在很短了.换句话说,长 头发科学家和短头发工程师的差别其实很小,为 了使工业得到有成效的发展,他们之间的密切合 作是不可少的. 纯科学家与从事实用工作的工程师间密切合 作的需要,产生了一个新的职业工程研究者 或工程科学家.他们形成纯科学和工程之间的桥 梁.他们是将基础科学知识应用于工程问题的那 些人.本文的目的是讨论工程科学家能够做什么, 也就是他们能为工程发展做些什么工作,以及完 成他们的任务需要接受什么样的教育和培训. 2 工程科学家对工程发展的贡献 工程科学家对工

4、程发展的贡献简单地说,就 在于努力做到人力和财力的节省.要做到两者的 节省,就要对面临的问题做一个充分的、 全面的分 析,从而指出: (1)所建议的工程方案的可行性究竟 怎么样; (2)如果可行,实现这个建议最好的途径是 什么;以及最后(3)如果某一个项目失败了,那么 失败的原因是什么,可能采取什么样的补救办法. 显然,如果一个工程科学家能够完成上述任务,那 么他在任何一项研究和发展的工作中就会在很大 程度上免除凑合和应付的方式.所有努力和财力 就能集中在最好的途径上,或者说几乎没有其他 更好的解决问题的方法具有最好的成功机会. 尽管会有不同意见,但是上面给工程科学家 所提的3个问题毕竟是工程

5、中的3个基本问题. 什么是一个工程科学家能做而工程师却不能做的 工作？这个问题的答案是,在工程职业变得越来 越复杂的今天,存在着专门化的需要.为了满意地 本文的内容最初为 1947 年夏天, 在国立浙江大学、交通大学和国立清华大学的工科学生所做的讲演, 后发表于 J of the Chinese Institution of Engineers, 1948, 6, 114 麻省理工学院航空工程系空气动力学教授. 644力学进展2009 年 第 39 卷 解决上述3个问题,现时对知识的要求应包括良 好的培训：不仅在工程方面,也要在数学、物理、 化学方面都要有良好的培训.这一点在下面几节 还会做更

6、详细的讨论.因此,一个工程科学家的培 训与工程师的常规培训很不相同.换句话说,他必 须是能够解决上面所说的工程发展中的3个基本 问题的专家. 3 关于长程火箭的建议的可行性 为了更好地理解,一个工程科学家通过什么 样的途径来解决工程发展中的3个基本问题,下 面将描述几个能说明问题的例子.第一个例子 是关于长程火箭可行性的研究.火箭的推进是由 于所携带的推进剂进行燃烧从而排出的射流的 作用.火箭发动机的性能是用推进剂的比耗来表 示的,其定义是每小时需要消耗多少磅推进剂从 而产生一磅的推力.这一数值因大气压力的变化 而略有不同,但一般可以取作为常数,即取其平 均值.这一推进剂的比耗就用来表示发动机

7、的性 能.火箭的射程显然依赖于所携带的推进剂的总 量,或者依赖于推进剂总量与火箭总重量之比.即 推进剂的装载比.火箭飞行时,要克服的是空气 阻力.于是我们看到,一个工程科学家为了解决 长程火箭的可行性问题,他必须掌握3类基本信 息：火箭发动机的性能、结构的效率以及高速飞 行时的空气动力.为了获得火箭发动机的性能, 他必须依靠火箭工程师以取得试验数据;为了获 得结构的效率,他必须依靠测量应力的人以取得 结构载荷的数据;为了获得高速飞行时的空气动 力,他将求助于高速风洞以获取试验数据.然后 从事该工作的工程科学家必须对上述信息进行 综合的工作,此刻他需要运用良好的工程判断力, 应用动力学定律以及求

8、解微分方程的技巧,其结 果是算出火箭的射程.假如他利用最好的火箭发 动机的性能、最低的燃料比耗的实际值;假如他 采用最好的结构以达到最高的推进剂的装载比; 并且假如他对火箭的外形采用了最好的空气动 力学设计以减小空气阻力,那么他将获得火箭所 能达到的最大射程. 长程火箭问题的上述表述假设：最好的发动 机性能、最好的结构效率以及最好的空气动力学 外形对于分析者来说是已经知道的.然而实际情 况可能并不是那么容易.一个工程科学家将发现, 以往的经验说明,如果采用化学平衡和热力学平 衡的假设仔细计算发动机燃烧室内的燃烧温度以 及排出气体的成分,再采用气相流动的动力学计 算火箭排气速度的话,推进剂性能的

9、预报精度在 10%以内;然而确实做过试验的推进剂的种类却 极少.在寻求最好的可能的发动机性能的过程中, 他可能希望知道从未试验过的高能化学推进剂的 可能的比耗值.这意味着工程科学家对这些未曾 试验过的推进剂已经进行了理论估算.举例来说, 他可能希望计算液氟和液氢火箭的性能.假如他 做了这类计算,他将发现有关化学火箭推进剂的 两个重要事实,它们是： (1)对于诸如二氧化碳和水这类通常的燃烧 产物来说,在燃烧室极高的温度下存在强烈的离 解的趋势,而且这些离解吸收热量.所以使用低 温量热计数据所计算的推进剂性能是全然不可靠 的.换句话说,热力学和化学平衡在这里起着极其 重要的作用. (2)不存在“令

10、人惊奇”的推进剂能够使性能 增大到现有推进剂的十倍,或者说,使比耗减少到 十分之一.这一点很容易从下面的表中看出来 1. 该表说明,最好的推进剂是氟和氢,两者燃烧所给 出的比耗不小于较常用的硝酸和苯胺组合的一半. 由此看来,进行此类研究,工程科学家能够在 一个新的工程领域中获得一个宽阔的方向.他知 道什么是所期望的,并有能力对任何一个发明者 的主张做出严格的判断.这样的判断能力如果采 用试凑应付的办法的话,一般需要相当长的时间 才能达到.所以,工程科学是缩短这一“学习某个 行业”的严酷过程的有用的工具. 类似地,工程科学家可能发现,有关结构效率 和空气动力的信息很不完全,就迫使他研究一类 特定

11、的有希望的结构,或者研究一类绕过空气动 力学外形的高速流动,以便确定在高速条件下可 能产生的空气阻力.换句话说,为了解决长程火箭 的可能性问题,工程科学家可能不只是解决一个 很困难的外弹道学问题,而且可能还必须解决热 力学和燃烧学的问题,或者弹性力学、 材料力学以 及流体力学的问题.可以说,他的问题并不容易,但 是他得到的回报也是丰厚的. 第 6 期钱学森 : 工程和工程科学645 表 1 火箭推进剂性能的计算值 (高度在海平面处, 燃烧室压力是 20 大气压) 氧化剂燃料氧化剂与燃料的重量比燃烧室温度 R 比耗磅,每小时每磅推力 氟肼1.186697012.33 氟肼2.371950011.

12、50 氟氢18.851021010.20 氟氢9.4285309.71 氟氢6.28629610.20 氧乙醇(75%+25%水)1.275553015.45 氧汽油2.62593014.95 氧氢3.80550010.20 发烟硝酸苯胺3.000552516.30 4 最好的解决方法 裂变材料的生产 人们在工程实践中,经常遇到这样的情况,要 在少数几种解决问题的可能方法中选出最好的方 法.这时工程科学家的服务再次显示其价值.让我 们举裂变材料的生产为例.根据H. D. Smith的论 述 2, 存在下面几种不同的可能方法： (1)用慢中子堆从天然铀生产鈈-239,并化学 分离钚. (2)用电

13、磁分离法从天然铀中的惰性铀-238 生产铀-235. (3)利用热扩散法从铀-238分离生产铀-235. (4)利用气相扩散法进行同位素分离生产铀- 235. 除了第一种方法以外,其他三种方法都包含 一类物理过程,其中被分离的材料具有“完全相同 的”化学性质.在美国研制原子弹开发核能的时期, 上述四种方法都被实施过.这种同时采用所有可能 的方法的方式正是战争时期的权宜之计,因为时间 紧迫而项目又亟需成功.而在平时,则应当召集工 程科学家来对四种不同的过程进行分析,从而确定 其中哪一种方法是最经济的.当然,工程科学家将 需要许多详细的信息,这些信息必须从理论分析或 实验中获取.举例来说,在第一种

14、方法中,他必须 确定铀-235的裂变截面或裂变概率,减速剂的共 振吸收截面等.然后他必须利用核物理的已知原 理,估算中子堆中的中子扩散过程、堆中的中子密 度分布,最后估算出中子堆的临界尺寸.他也必须 在他的计算中对铀块和减速剂的布置,使用不同的 方案而求得建造反应堆的最好的方法.通过上述 这些研究,工程科学家就能说采用慢中子堆的方法 来生产鈈-239可能是最经济的方法. 采用类似的实验室实验和理论计算的手段, 工程科学家将可能估计出其他几种建议方法的经 济性.这样就能够对生产裂变材料的最好方法 是什么的问题给出答案.看来十分清楚,假如对 不同过程的相对经济性进行这样的分析是可能的 话,生产鈈的

15、工艺,即方法(1)将会入选. Leslie R. Groves将军向McMahan委员会透露,在1945年6 月,几种工艺每月所花费的运作费是： Handford鈈工厂$ 3,500,000 橡树岭扩散工厂$6,000,000 橡树岭电磁工厂$12,000,000 所以Handford鈈工厂是其中最为经济的一 个,除此之外,事实上,它还必须具有最大的生产 裂变材料的能力. 接着我们假设,工程科学家经过初步分析决 定采用鈈工艺,那么会得到什么结果呢？还是根 据Groves将军的说法, 1945年6月30日,为工厂 和设备所支付的投资是这样的： 生产设备： Handford工厂$ 350,000,

16、000 其他$ 892,000,000 $ 1,242,000,000 工人住宿： Handford工厂$ 48,000,000 其他$ 114,500,000 $ 162,500,000 研究：$ 186,000,000 工人的补偿费和医药费:$ 4,500,000 总额:$ 1,595,000,000 646力学进展2009 年 第 39 卷 所以说,假如战时美国指导核能开发的当局 能够选定鈈工艺,那么就能大致节省十亿美元.换 句话说,假如当局当时能够充分利用工程科学家 的服务,就能节省三分之二的投资. 5 失败的原因及补救办法 Tacoma 海 峡大桥 要求一个工程科学家注意的第3个问题,是 对某一项目的失败要能发现其原因以及提出补救 的办法.前面讨论的两个问题是在启动某一工程 的主体部分之前,对可行性和新的最好的开发方 法进行研究;然而第3个问题当然是在事后进行 的工作.让我们举Tacoma海峡大桥为例.这座桥 在1940年7月1日开始通车.它是一座路基极窄 的悬索桥,其尺寸可以从表2查出. 表