钱学森对世界反法西斯战争的贡献

2015年是世界反法西斯战争胜利70周年。战争期间，在大洋彼岸的美国，来自中国的青年科学家钱学森，怀着对科学真理的不懈追求与竭力探索，以及对人类正义的坚定捍卫，以自己的聪明才智和满腔心血，在航空工程、高速空气动力学、薄壳稳定性、喷气推进技术等领域取得了令世人瞩目的开创性成就，为现代航空航天科技发展，盟军技术水平和战斗力的提升，为第二次世界大战胜利及人类和平与进步事业作出了独特的贡献。

一、攻克航空难题，为飞机实现稳定高速飞行作出划时代理论成就

二战爆发前夕，正在加州理工学院从事应用力学研究的钱学森刚刚博士毕业，即已奠定其继普朗特和冯·卡门之后第三代空气动力学大师的地位。钱学森当时取得的最具代表性，对第二次世界大战尤其是空战产生重要影响的科学成就主要有两项。

（一）提出“卡门-钱近似”公式

二战前夕，随着现代科技的发展和军事竞争的推动，意大利著名军事理论家朱里奥·杜黑的制空权理论引起现代军事技术和军事工业的革命性变化，航空界开始由低速飞行向高速飞行发展。但受当时技术条件制约，需要解决众多极具挑战性的科学问题。飞机在接近音速飞行的过程中，由于空气可压缩性产生的累积压力引起飞机尾翼蒙布皱折，导致机身强烈震动并失去平衡，严重时曾多次发生飞机坠毁事故。如何改进飞机外形设计以消除空气压缩效应对高速飞行的影响，成为当时航空学界亟待解决的难题之一。

1939年，钱学森在导师冯·卡门教授指导下，经过深入细致的研究，提出计算飞机翼面压力分布的空气压缩作用修正理论公式“卡门-钱近似”。这一公式的发表使他一跃成为世界著名的空气动力学家。在第二次世界大战期间以及战后相当长的一段时间内，在现代计算手段——电子计算机出现以前，这一近似计算方法通过大量亚音速风洞实验，直到最大局部速度达到临界马赫数，鉴定结果相当准确，被广泛应用于飞机翼型的设计，在当时直接对飞机的设计起了重要作用。钱学森在加州理工学院时期的同事、美国航空航天领域资深科学家弗兰克·马勃教授认为，在快速、经济的数值计算方法出现之前，“卡门-钱可压缩性修正”一直是最准确的计算公式。中国科学院力学研究所原所长薛明伦研究员指出，“卡门-钱近似”公式在二战期间用于高亚音速飞行器的设计，促进了二战的胜利。

（二）解决薄壳失稳难题

壳体结构是减轻飞行器，从而提高飞机速度的有效途径。20世纪30年代，航空技术取得显著进展，随着战争对军用飞机速度要求的不断提高，全金属应力蒙皮结构和大推力发动机成为飞机研制主流技术。全金属结构具有重量轻而强度高的优点，但当其受到的载荷超过某一数值时，壳体会发生皱瘪而失效，这种现象称为屈曲。如果采用经典的线性理论计算，发生屈曲的临界载荷值比实验值要大许多。飞机设计师需要精确地知道壳体载荷达到多大数值时会发生这种现象，但壳体的经典理论如薄壳理论却不能提供有价值的指导。对薄壳的屈曲载荷作最精巧和最大胆的计算，在理论和实验之间常常留下一个不能为人接受的大“误差”。当时所有根据理论预测计算得到的失效值都大于实测值3～4倍，这使工程师陷入没有理论可循的困难境地。如何解决带曲率薄壳结构的稳定性，即薄壳失稳问题成为困扰航空学界多年的一个不解之谜。

钱学森在系统分析前人的理论和实验工作之后，从1939年开始着手解决薄壳失稳问题。1940年，他与冯·卡门在《航空科学杂志》发表“球壳在外压下的屈曲”论文，提出计算屈曲临界载荷的能量跃变准则，从理论上解决了临界载荷矛盾和受压球壳屈曲失效这一航空界久攻不克的难题。钱学森的这一重大学术成果不仅在理论上对当时的力学界和航空界产生了很大的影响，而且在实践上为多家飞机公司设计部门所采用。1941年，钱学森与冯·卡门在《航空科学杂志》发表“圆柱壳在轴压下的屈曲”论文，准确推导出圆柱壳屈曲的临界载荷的特征方程。著名空气动力学家、中国科协原副主席、中国工程院院士庄逢甘指出，钱学森关于屈曲临界载荷的研究成果与实验符合很好，很快为飞机公司所引用；这些成果不仅在学术上有很大影响，而且在实践上为多家飞机公司设计部门所采用。

二、参加火箭研究，为战机短距起飞奠定坚实技术基础

早在赴美留学前，钱学森就对当时尚处于科幻阶段的火箭产生了浓厚的兴趣，并进行了初步研究。1935年8月，他在《浙江青年》发表《火箭》一文，讨论了火箭上升的原理，对火箭燃料的性能、技术及安全等因素做了对比分析，还极富前瞻性地提出了三级火箭、火箭飞机等后来被航空航天技术发展所验证的科学设想。这篇论文的发表为他日后从事火箭研究奠定了一定的知识储备和理论基础。

二战前夕，钱学森以巨大勇气和科学远见，参加了被称为“自杀俱乐部”的加州理工学院火箭研究小组，为战争期间美国火箭助推起飞技术的发展、扭转太平洋战争战略格局奠定了坚实的理论与实践基础。1936年2月，三位加州理工学院的学生马里纳、帕森斯和福尔曼成立加州理工学院古根海姆实验室火箭研究小组，设弹道、材料、推进、结构四个部门。1936年11月15日，火箭小组成员在洛杉矶郊外的阿罗约·塞科河谷进行火箭发动机试验。该地后来发展成为著名的美国宇航局喷气推进实验室，是美国火箭技术的摇篮。1937年，钱学森加入该小组，负责推进部门，分工侧重研究燃烧室、喷气推力和火箭性能的理论问题。

在火箭小组，钱学森以理论计算见长。对于钱学森加入火箭研究小组，冯·卡门在他的回忆录中如是记述：“……两位火箭热心者加入他们的行列。一位是阿莫·史密斯，另一位就是钱学森。仿佛命运注定了这两个人对火箭技术要起关键作用。从此以后，加州理工学院就成了美国第一所严肃研究火箭的大学了。”

在参加火箭小组期间，钱学森做了大量研究工作。1937年4月，钱学森完成《火箭发动机喷管扩散角对推力影响的计算》一文，于1940年发表在《富兰克林学会会刊》。同年5月，他还向火箭小组提交了一份研究报告。这份报告具体描绘出一个燃烧室和废气喷嘴大小都固定的理想火箭的理论模型。不久，该报告被收入火箭小组的论文集，该论文集被小组成员视为“圣经”，成为他们进行火箭研究和计算的重要基础。1937年6月至9月间，钱学森做了有关火箭研究文献资料的调查研究，这些资料部分反映了他早年从事火箭研究孜孜以求的动态轨迹与探索历程。他在博士论文第四部分“以逐次脉冲推进的探空火箭的飞行分析”中，通过探讨和论证以逐次推进的固体火药作为推进剂，进行多次快速燃烧排气而获得脉冲式推力的火箭发动机燃烧方案，从理论上证明探空火箭可以达到10万英尺的飞行高度。

火箭小组卓有成效的开创性工作引起美国科学界的广泛关注。1939年1月，美国科学院接受冯·卡门的建议，决定在加州理工学院设立火箭研究中心，以解决火箭助推飞机起飞问题，并划拨1000美金研究经费予以支持。火箭小组的命运由此预示着将掀开新的篇章。

三、承担军工项目，为喷气推进技术和高速空气动力学发展作出重大贡献

加州理工学院是美国最早开展火箭技术研究的机构之一。在二战时期，该校的喷气推进实验室已发展成为美国火箭导弹技术的一个重要研发中心。战争期间，钱学森参加了由美国军方资助的加州理工学院火箭助推起飞装置研究计划及其他军工项目，为喷气推进技术和高速空气动力学的发展作出了重大贡献。

（一）研制火箭助推起飞装置

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和政府的重视。1938年5月，美国陆军航空兵司令亨利·阿诺德上将访问加州理工学院古根海姆实验室时，对火箭研究给予特别关注。由于预见到世界大战不可避免，阿诺德要求加州理工学院研制火箭助推起飞装置，使美国军用飞机，特别是重型轰炸机能从航空母舰及太平洋小岛的短跑道上起飞。为此，他与加州理工学院签订了协议，给予经费资助。

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，工作重点是研制重型飞机的火箭助推起飞装置，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。同年，火箭研究小组制定了美国陆军航空兵第一个火箭研究计划——“古根海姆1号”。1941年，该中心在阿罗约·塞科河谷建造了第一批实验室，并成功进行了美国首次喷气助推起飞和单纯以火箭为动力的有人驾驶飞机飞行试验。当年8月12日，一架执行本次飞行任务的艾尔考普飞机从加利福尼亚马奇机场顺利起飞。这是美国轰炸机第一次采用固体火箭动力装置起飞。同年，美国国家科学院不仅继续向加州理工学院提供研究基金，还从1942年财政年度开始，将资助金额总数提高到12.5万美元。

1942年4月15日，冯·卡门、钱学森、马里纳等火箭小组成员在摩哈维沙漠中的慕洛克空军基地成功进行了道格拉斯A-20轰炸机火箭动力装置起飞试验，标志着美国第一个火箭助推起飞装置研制成功。这种重型轰炸机火箭助推起飞装置很快就在太平洋战争中被美国空军广泛应用。钱学森在其研究、设计过程中，发挥了重要的作用。

（二）担任航空喷气公司顾问

为了成批量向美国军方产销火箭助推器，火箭小组于1942年创办航空喷气公司，冯·卡门任总裁，钱学森任顾问。随着战争规模不断扩大，美国军方对加州理工学院火箭及相关研究成果的资助迅猛增长，公司大量生产装备航空母舰舰载战机的火箭助推器。钱学森在其中的研究、设计过程中发挥了重要的作用。

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，为地地导弹和探空火箭研制奠定了理论基础。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”。同年12月20日，冯·卡门、钱学森和马里纳共同提出了一项被称为“JPL-1”的美国远程火箭导弹研究计划。作为“JPL-1”计划的产物，1944年1月，美国陆军炮兵部向加州理工学院喷气推进实验室提出“炮兵部和加州理工学院联合计划”，请求加州理工学院喷气推进实验室尽快研制可以用于实战的导弹，并提出了对导弹的性能要求。同年，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。

钱学森原本对火箭的原理、研制与发展十分感兴趣，也预见到火箭技术的重要军事意义，因而对有关火箭的资料早有搜集和研究。二战爆发后，美国大力支援英国抗击纳粹德国，并积极以军用物资和空军力量等支援中国的抗日战争。为此，他感到在美国研究喷气式飞机和火箭技术，或许可以间接报效祖国，抗击日寇。

冯·卡门在他的回忆录中专门用一章的篇幅回顾钱学森在加州理工学院的经历，并高度评价他的科学成就：“钱作为加州理工学院火箭小组的元老，在第二次世界大战中为美国的火箭研制作出过重大贡献。”1946年2月13日，阿诺德上将在致钱学森的信中，表彰其在火箭和喷气推进等领域作出了“巨大而无价”的贡献。

（三）撰写高速空气动力学研究报告

从1940年起，因火箭研究计划被美国政府列为高度军事机密，钱学森作为侨民无法获得参与资格，被迫退出火箭研究小组一年多，直到珍珠港事件发生后，因中美战略联盟的需要才获得参与美国机密研究计划的资格。1942年12月1日，在冯·卡门推荐下，经美国宪兵总司令部人事安全主管审核，钱学森获得了安全认可证，获准参加涉及军事机密的工作。在此期间，钱学森于1940年为冯·卡门主持建造的加州理工学院一个弹道试验用超声速风动完成了设计方案论证和分析计算，并为此撰写了《弹道试验用超声速风动的设计》论证报告。

钱学森获得参与美国涉及军事机密研究项目的资格后，陆续承接了军方多项研究任务，并向军方提交了一系列研究报告：1943年4月，钱学森完成了一项关于高速飞行时XSC2D整流罩上方压力分布的研究；7月，他完成了一份关于使用喷气机所产生的喷射力作为启动液态推进泵能量来源的报告；10月，关于向固体推进剂中添加金属固体以改善性能的可行性报告问世；1944年5月，钱学森提出报告讨论压缩机或涡轮机中叶片变形所带来的影响；8月，他又替喷气推进实验室完成了一份关于平坦表面与高速气流间热转换的论文。当年，钱学森还向美国陆军航空兵提供了《远程火箭的飞行特性》内部报告，对远程火箭的飞行特征，包括射程、动力飞行阶段、自由飞行阶段以及有翼滑翔阶段等进行了分析计算，并且提供了两个实际算例。

四、深入生产一线，关注祖国航空，研究并解决飞机设计中的应用力学问题

作为一名应用力学家，钱学森一直以理论分析和计算论证见长。太平洋战争爆发后，他不但时刻关注祖国航空事业的发展，与国内航空界保持密切联系，还一度深入洛杉矶地区的航空企业，发现并解决飞机设计与生产过程中遇到的应用力学问题。这些飞机制造公司在二战期间研发生产的先进战机，为同盟国军队战胜法西斯、赢得战争胜利发挥了巨大作用。

二战时期，美国的航空工业生产能力迅猛发展，飞机产能迅速提高，战争期间生产的各种飞机总计20.44万架。以洛杉矶为中心的南加州是美国航空工业最发达的地区之一，整个20世纪40年代，该地航空业取得了令人瞩目的迅速增长，从事飞机制造的工人人数从1939年的1.33万人猛增至1941年的11.3万人；为美国政府制造的飞机达10万多架；飞机制造业提供了整个城市40%以上的就业机会，被称为“奇迹10年”。道格拉斯、洛克希德等著名飞机制造公司都集中在这一地区，生产了众多代表当时美国乃至世界航空工业最高水平的先进战机。

1941年，时为密歇根大学工学院航空系研究员的周明鸂受冯·卡门邀请，以客座研究员身份参加加州理工学院古根海姆航空实验室研究工作，并经常与钱学森一起探讨学术问题。珍珠港事件爆发后，周明鸂于1942年到道格拉斯飞机制造公司工作，任高级工程师。在此期间，钱学森曾一度去道格拉斯公司，与周明鸂一起研究解决飞机设计中遇到的力学问题，从而间接地参加了中美共同抗日的行列。

留美期间，钱学森一直心怀赤子深情，时刻关注深处战争灾难中祖国航空事业的发展。1938年6月7日，钱学森就延长公费留学期限一事致函清华大学校长办公处，表达了日后学成归来报效祖国的迫切愿望：“学问非易事，学生现在始觉对独立研究有相当把握……如能在冯·卡门教授门下再有一年之陶冶，则学生之学问能力必能达完美之境，将来归国效力必多。”同年，他与冯·卡门在《航空科学学报》发表“可压缩流边界层”一文，从理论上预见了实现高速飞行面临的“热障”问题，对于飞机实现高速飞行具有重要意义。

按照清华大学关于留美公费生的规定，留学生在美学习时间不得超过3年。到1940年，钱学森已经在美国4年多。当年4月20日，冯·卡门致信钱学森在清华大学时期的导师王助，希望钱学森继续留在自己身边，从事航空工程与科学研究工作，并赞誉钱学森为高速空气动力学作出的积极贡献；6月24日，王助复信冯·卡门，同意钱学森留在其身边继续从事航空工程与科学研究工作。

五、培训盟军军官，提高盟军技术水平和军事指挥能力

二战后期，除了参加美国军方的保密项目外，钱学森还为美国政府选派至加州理工学院攻读航空学硕士学位的空军和海军军官讲授课程，并亲自编写教材，为战时培养美军第一批火箭和喷气推进领域军事技术干部，提高盟军军事指挥能力作出了很大贡献。

为了强化军队的技术知识，美国军方于战争后期开始遴选一批军官到加州理工学院学习。陆军航空兵空军技术后勤司令部要求加州理工学院为1943～1944学年派往该学院的一批军官提供火箭与喷气推进方面的研究生课程。冯·卡门和他的加州理工学院古根海姆实验室和喷气推进实验室的同事制定了课程。钱学森于1944年受聘主讲工程数学原理和喷气推进理论两门课程，并组织、编辑了内容丰富的教材《喷气推进》，全面论述喷气推进的基本原理和喷气推进飞行器的性能。这是美国第一部全面系统论述喷气推进基本原理和火箭性能与科技的专著。马勃指出，《喷气推进》这本巨著，成为以后十几年间不可或缺的参考书，尽管在此期间该领域有重大进展。

除了讲授规定的课程外，钱学森还为学员们安排了一个计划外的流体动力学研讨班，使用英国物理学家霍勒斯·兰姆的著作作为教材。据钱学森当年的学生伦纳德·埃德尔曼回忆：“讨论班需要花上几个小时备课，而对于那总计15个小时左右的课程来说，我相信钱学森至少花了5到10倍的时间来做准备。他这样做完全是出于对学生的责任心，不计报酬。”

美国专栏作家米尔顿·维奥斯特对钱学森的科学成就给予高度评价：“在第二次世界大战期间，在钱的帮助下，大大落后于德国的非常原始的美国火箭事业过渡到相当成熟的阶段。他对建造美国第一批导弹起过关键性作用”；“钱是冯·卡门雄心壮志与事业的继承者……是帮助美国成为世界第一流军事强国的科学家银河中一颗明亮的星。”

六、正义战胜邪恶，科学成为战胜法西斯、捍卫和平的强大力量

第二次世界大战结束前夕，钱学森经冯·卡门推荐，成为美国国防部空军科学咨询团成员，并随咨询团赴欧洲考察，以这场战争的胜利者身份，向世界展示正义战胜邪恶、科学捍卫和平的伟大力量。

1944年12月1日，美国国防部科学咨询团成立，冯·卡门任团长。咨询团的任务是评价航空研究和发展的趋势，为美国国防部准备有关科学技术事务的特别报告。由于钱学森为美国火箭研制作出过重大贡献，冯·卡门推荐他为咨询团成员。1944年底，钱学森辞去加州理工学院各项职务，赴华盛顿参加美国国防部科学咨询团的工作。至1945年3月，德军在欧洲战场全面崩溃，盟军胜利在望。同年4月底，钱学森以美军上校身份，随冯·卡门率领的国防部科学咨询团一行赴欧洲，考察德、英、法等国在航空和火箭领域的研究情况，重点是考察德国的高速空气动力学研究、脉冲喷气发动机和涡轮喷气发动机的发展以及火箭与导弹技术情况。4月，钱学森一行在德国萨克森州东部小城不伦瑞克考察。战争期间有上千名德国科学家曾在该地的戈林空气动力学研究所从事火箭研究工作。5月，钱学森与冯·卡门在德国哥廷恩会见普朗特，了解德国火箭研究的技术问题及进展情况。普朗特曾是冯·卡门的导师、近代流体力学奠基人，被誉为“空气动力学之父”，是德国火箭研究工作的主要领导者。科学与战争让他们以特殊的身份，在一个特殊的时刻，以一种特殊的方式联系在了一起，这或许是一种历史的安排。6月，钱学森在诺德豪森查问了德国火箭研究最高权威冯·布劳恩。应钱学森要求，冯·布劳恩写出《德国液态火箭研究与展望》书面报告，受到美国军方重视。此外，钱学森还询问了研究V-2火箭的著名理论家赫尔曼·奥伯特等人，并视察了美军发现的德国布伦茨威格秘密实验室和诺德豪森V-2火箭工厂，查阅了德国火箭和空气动力学的秘密研究报告，对德国导弹研制计划进行了深入细致的了解。考察期间，钱学森写出了一系列反映战时德国在飞机、火箭、炸弹等领域发展状况的调研报告。

七、科学与科学家的使命

经过长达数年血与火的洗礼，第二次世界大战最终以同盟国全面胜利告终。诚如冯·卡门所言：“第二次世界大战从一开始就具有鲜明的技术特色……盟国，特别是美国军事力量的猛涨，导致了空中力量成为战胜德国的关键因素。”在太平洋战场上，“空中力量在这场战争中运用极其普遍，成为决定战争胜负的主要因素。”作为享有世界声誉的空气动力学家，钱学森在反法西斯战争时期无疑取得了科学上的巨大功绩。他用智慧的力量创造了科学的辉煌，用科学的力量捍卫了人类的尊严。

在这场旷日持久的世界性战争面前，科学呈现出一幅尴尬、窘迫的对立图景。一方面，从普朗特、冯·布劳恩等众多为纳粹和军国主义摇旗呐喊、推波助澜，走在人类公共价值对立面法西斯科学家的“科学事迹”中，可以看到，科学变成了科学家的工具，而科学家则沦落为科学的附庸，这无疑是科学与科学家的双重不幸。另一方面，从钱学森、冯·卡门等以科学为武器，战斗在反法西斯战线上的进步科学家身上，同样可以看到，科学的正能量得到了充分的积聚和发挥，科学的本源也得到了理性的坚守和维护。他们体现了崇高的科学精神，彰显了宝贵的科学品质，是人类弥足珍贵的精神财富。

钱学森在二战时期的科学成就属于反法西斯、抵抗侵略的正义力量，也属于全世界爱好和平的国家和人民。通过回顾钱学森对世界反法西斯战争及人类和平与进步事业作出的杰出贡献，不难发现，科学与正义、良知与奉献、创新与勇气的结合可以创造捍卫和平、赢得胜利的巨大革命性力量，可以激发促进发展、推动进步的强大精神能量，应该成为人类恒久的价值坚守，富有深刻的时代启迪。唯此，科学的价值才能得到最大限度的彰显，科学家的工作也才能真正得到历史和时代的认可。

*本文为国家社科基金重点项目“钱学森手稿整理与研究（1955-2009）”（立项号：13ADJ004）阶段性成果。

注释及参考文献：

[1]Theodore von Karman， Lee Edson. The Wind and Beyond： THEODORE VON KARMAN， Pioneer in Aviation and Pathfinder in Space[M]. Little， Brown and Company（Canada）Limited， 1967.

[2]郑哲敏.钱学森手稿[M].太原：山西教育出版社，2000.

[3]郑哲敏.序[M].钱学森文集（1938～1956海外学术文献）（中文版）.上海：上海交通大学出版社，2011.

[4][美]张纯如.蚕丝：钱学森传[M].鲁伊，译.北京：中信出版社，2014.

[5]顾诵芬，史超礼.世界航空发展史[M].郑州：河南科学技术出版社，1998.

推荐访问:贡献 反法西斯战争 世界 钱学森