從應用力學到工程科學

發布時間：2021-05-21所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1149次

摘 要： 摘要:工程科學起源于20世紀初德國以普朗特為代表的應用力學學派;20世紀30年代應用力學研究中心轉移到美國以馮卡門為代表的古根海姆空氣動力學實驗室，錢學森先生師從馮卡門，在這一領域做出了杰出貢獻，并明確提出、系統闡述了工程科學的思想。國內外航空、

　　摘要:工程科學起源于20世紀初德國以普朗特為代表的應用力學學派;20世紀30年代應用力學研究中心轉移到美國以馮·卡門為代表的古根海姆空氣動力學實驗室，錢學森先生師從馮·卡門，在這一領域做出了杰出貢獻，并明確提出、系統闡述了工程科學的思想。國內外航空、航天工程的實踐已經證明，工程科學可以加速科學革命、經濟發展、社會進步。未來工程科學研究領域將從自然現象擴展到生命體乃至人文科學，如：工程管理、工程倫理和工程哲學，并引領交叉學科領域的前沿研究。為適應這一發展趨勢，我們將通過強基礎、闊領域、重實踐、促創新，加速復合型工程科學人才的培養。

　　關鍵詞:工程科學;錢學森;應用力學;航空航天;國科大

　　在2020年國家將布局“十四五規劃”之際，科技教育受到社會各界的重視，本次工程科學高峰論壇旨在研討工程科學思想在工程相關專業人才培養中的地位和作用。眾所周知，工程科學概念是錢學森先生首先提出來的。要準確理解和把握這一概念，不僅應當了解錢學森先生所從事的學科專業，而且應當了解這一學科專業發展的歷史。所以，本文從應用力學的發展講起，把工程科學概念放在這樣一個大背景中加以理解和把握，闡明它的含義、歷史性貢獻和未來發展，并結合當前的新工科建設，就工程科學人才培養談談筆者的一些思考。

　　1應用力學學派的興起

　　回顧歷史，19~20世紀之交，經典物理學大廈的上空出現了兩朵烏云。筆者從事流體力學研究，所以就從當時流體力學中亦存在的兩個難題或者說類似的“兩朵烏云”開始談起。

　　第一個問題就是湍流。1883年，雷諾完成了一系列流體在圓管中流動的經典實驗(圖1)，發現自然界或工程中普遍存在兩種流動狀態：層流和湍流，湍流狀態時的動量、質量、能量傳輸率遠高于層流狀態。科學家為了回答在什么條件下層流會轉變成湍流，轉捩的完整過程是怎樣的，以及如何描述和計算完全發展的湍流奮斗了一個世紀。

　　第二個問題是動力飛行。1903年，萊特兄弟成功完成了第一次動力飛行(圖2)，發現動力飛行可以真正實現人類的飛行夢想。科學家和工程師為了回答動力飛行的原理，如何計算阻力和升力并設計飛行器，以及不同飛行速度的流動特征等問題努力了一個世紀。

　　為了攻克這兩個難題，出現了以普朗特、馮·卡門為代表的應用力學學派，隨后，錢學森又發展了工程科學思想，于是國際和中國的航空、航天工程飛速發展，使人類進入太空時代。

　　十九世紀的德國十分重視教育，哥廷根學派最早從數學王子高斯開始，然后是黎曼、希爾伯特、克萊因等數學家。到19世紀末，世界科技中心已經從英、法轉移到德國。1893年，克萊因在美國芝加哥參觀世界博覽會，看到美國科技創新欣欣向榮，正在趕超德國。克萊因認為，哥廷根大學不能僅僅搞基礎理論，他倡導基礎科學同工程的結合，從而使自然科學成果盡快應用到工程技術中。于是，他建立了三個應用科學系：一個是希爾伯特的應用數學系，一個是索莫菲爾特技術物理系，還有一個就是應用力學系。他聘請普朗特擔任應用力學系主任，隨后該系涌現了一批應用力學人才，包括馮·諾依曼、柯朗、諾特、鐵木辛柯等，極大地推動了應用力學的飛速發展。

　　普朗特在這一時期做出重要貢獻。他首先創立了邊界層和升力線/面理論，從而可在計算機時代以前簡捷地計算阻力和升力、并進行飛機設計，因此，普朗特被公認為是近代力學的奠基人[1]。隨著飛行速度的提高，他提出了普朗特-邁耶理論、普朗特格勞特法則，考慮可壓縮效應。普朗特混合長度理論是湍流的早期研究成果。正是他在應用力學領域的這一系列貢獻，為航空航天技術發展和實現動力飛行奠定了基礎。

　　1930年代，應用力學研究中心轉移到美國。除了德國卷入世界大戰的原因外，美國亦更加重視人才引進。特別是加州理工學院的密里根院長，他引進了遺傳學家摩根和空氣動力學家馮·卡門。馮·卡門擔任了古根海姆空氣動力學實驗室主任，從而吸引了世界各國的一批尖端人才，包括中國的錢學森、郭永懷、林家翹等科學家，使CIT成為國際航空航天工程人才的搖籃。馮·卡門和中國的科學家在這一領域做出杰出貢獻。例如，在高亞聲速流方面，提出了卡門-錢公式;郭永懷先生全面詮釋了跨聲速流動特性，提出上臨界馬赫數概念和激波邊界層相互作用理論，為突破聲障奠定了理論基礎。高超聲速飛行、稀薄氣體流動學科是由錢學森先生首創的，林家翹先生解決了流動穩定性這樣一個數學上和物理上的難題[2]。火箭推進亦是錢學森先生探索的領域。由此可見，在世界航空科學研究領域也記載了中國科學家的貢獻。

　　2工程科學思想的提出

　　工程科學思想是錢學森先生首先提出的。1947年錢學森先生回國后，先后在浙大、交大、國立清華大學講學，報告的題目就是工程和工程科學，次年在JCIE發表了以“工程與工程科學”(EngineeringandEngineeringScience)為題的文章[3]。1956年，錢學森回國，參觀了國內的高等院校、研究所等，次年，他又結合我國情況，在《科學通報》發表文章“論技術科學”，進一步闡明工程科學思想[4]。

　　相關期刊推薦：《工程研究·跨科學視野中的工程》本刊前身是中科院研究生院工程與社會研究中心主辦同名學術期刊，是國內外“跨學科工程研究”領域內第一份綜合性學術刊物。本刊面向廣大工程界、科技界、理論界、政策研究部門和其他各界人士，旨在打造一流學術名刊，使之成為促進跨界交流的理想平臺。主要欄目：工程前沿、工程科技、工程與社會、工程管理與政策、工程與可持續發展、工程哲學、工程史與工程人物。

　　為什么錢學森先生會提出工程科學思想，從他的經歷中可以略見一斑(圖3)。在美國，他親自經歷火箭的研制，參加了美國航空航天計劃“邁向新高度”(Towardsnewhorizon)的規劃和撰寫。特別是在突破“聲障”以后，人們意識到人類不久便能飛出大氣層，所以，航天工程師將面臨科學技術的新挑戰。為了實現飛上太空的夢想，人類的知識不能局限于力學學科的范疇，必須要考慮高溫氣體的輸運特性、自動控制等問題。1950～1955年錢學森先生在被美國移民局軟禁期間撰寫了《物理力學》與《工程控制論》兩部工程科學的代表作，預見了新興學科的重要性。所以，工程科學是應用力學的進一步拓展，強調學科交叉研究，適用于眾多的科學和技術領域，符合現代科學技術發展的趨勢。

　　工程科學的特點可以概括如下：其一是必須具有明確的應用目標;其二是直接解決工程技術關鍵問題;其三是基于科學認識、物理思想、數學方法來給出問題的解答;其四是加速自然科學與工程技術的結合，并能引領工業前進。現在科技革命日益加速的原因就是科學理論與工程技術的快速結合。所以，除了少部分科學家，比如純粹數學家、理論物理學家等專門從事極其重要的基礎理論外，大多數科學家要從事與應用相關的研究。

　　顯然，工程科學可以加速科學革命、技術飛躍、經濟發展與社會進步。國際航空航天工程和我國航天工程的實踐都證明：工程科學是一條取得成功的捷徑。

　　從國際航空航天的歷程看：1903年，萊特兄弟首次動力飛行;1920~1940年，從低速飛機走向高速飛行;1947年，突破聲障;1957年，第一顆人造衛星上天;1961年，第一次載人飛行;1969年，實施阿波羅計劃。1903~1969年，從首次動力飛行到登月大約用了60年時間。此后，還有前蘇聯的飛船、美國的天空實驗室、航天飛機和國際空間站。

　　從中國航天工程看，1956年，錢學森起草《建立我國國防航空工業意見書》;1958年，科學院實施581計劃，第二年力學所開始火箭推進、高速空氣動力學、高溫結構前沿研究;1965年，成立651設計院，1970年4月24日發射第一顆人造衛星(圖4);1975年，第一顆返回式衛星;1984年，第一顆同步衛星;2005年，神舟五號載人飛行;2011~2013年，發射天宮一號與神舟八、九、十號，實現交會對接;直到2016年的天宮二號于最近順利返回。嫦娥工程也順利進行，實現了繞、落、回的目標，先后大約也經歷了60年左右的時間。現在的中國科學院大學雁棲湖校區，即當年的礦冶學校，實際上就是中國科學院的火箭試驗基地，現在是中國科學院與“兩彈一星”紀念館館址(圖5)。當年中國科學院集中力量科技攻關，解決了其中的若干關鍵科學技術問題：其一，研制了500kg推力的液氫液氧火箭發動機，為我國隨后的液體火箭奠定基礎;其二，衛星設計院的本體設計是我國空間科學和技術的開端;其三，燒蝕防熱的理論和實驗研究，是衛星回收、飛船回地的安全保障。

　　然而，隨著21世紀的科技發展，我們工程科學也必須在現有的基礎上得到進一步提升，這是本次高端論壇的宗旨。為此，我們還應當有新的思考。

　　3工程科學的未來發展

　　當前世界科技發展迅猛，一方面，基礎理論醞釀著新的重大的突破，例如對宇宙起源、物質結構、認知科學等各領域的探索;另一方面，顛覆性、變革性技術不斷涌現，包括納米材料、先進制造、人工智能、基因工程、量子計算、聚變核能等。我們也可以明顯地感覺到，當前產業革命的步伐正在不斷加速。從1760年蒸汽機時代，到1860年電氣時代，經歷了100年時間。從1950年代發射人造衛星，建成核電站，經過1980年代超級計算機、互聯網再到今天的5G通訊。很明顯，跨越每個階段所需時間從百年、幾十年縮短到目前的十幾年就可實現更新換代。現代科技對人類社會產生巨大的影響，比如說經濟發展的速度，文明進步的程度，生活方式的轉變等，科技正在日新月異地改變我們的世界。

　　新時代的中國已經成為世界經濟大國，GDP總量位居世界第二。70年來的科技成就舉世矚目，如：天宮系列、嫦娥工程、高速鐵路、北斗導航、量子科技、5G通訊、雜交水稻等。經過20世紀50~60年代的向科學進軍，到80~90年代的科教興國，再到目前的科技強國，現在國家比以往任何時期都更加重視科技和教育。然而，我們畢竟還是一個發展中國家，實現兩個百年目標還需要艱巨努力，特別是在科學技術的原始創新方面，需要從目標、方向、體制、人才、合作等方面采取有力措施。在這一階段，我國要高質量地完成工業化的進程，制造業占有舉足輕重的地位，其中，工程科學可以發揮重要作用。

　　在這里我們列舉工程科學若干領域的關鍵科學問題。在航天、航空工程方面，中國已有神舟系列、天宮系列、天舟系列等，未來也將建立空間站，所以必須擁有先進的運輸系統，以滿足天地間人員往來和物資運輸的需求。美國的航天飛機已經退役，飛船方式價格昂貴，必須探索新的途徑，如可回收火箭、空天飛機等。航空領域我國已經走上自主研發的道路，我國的商用客機不僅要在材料、降噪、安全等達到先進指標，通過適航飛行考核，尤其要攻克飛機發動機研發中的卡脖子問題。海岸、海洋工程方面，我國在港口、橋梁建設方面世界領先，海洋工程目前的發展趨勢之一是從海面到水下。我國的水下航行器、深潛器目前擁有一席之地，但離走向深遠海的目標還有距離。目前，我國海洋平臺多數是近海固定式的，半潛式深水鉆井平臺剛剛下水，要自主設計制造各種浮式平臺以滿足我國海洋油氣開采的需求。交通能源工程方面，我國已經研發了和諧號、復興號、磁懸浮等低阻力、低噪聲的列車，運行在四縱四橫高速鐵路網。在能源利用方面已經形成化石能源、可再生能源和核能的完整綜合體系，能源效率不斷提高、污染物排放不斷減少。目前我國自主研發的先進核電設備華龍一號已經成功并網，水合物、頁巖氣、煤層氣等非常規能源的開發有發展潛力;我國可再生能源發展初具規模，通過太陽能、風能與儲能等技術結合，使得可再生能源利用效率得到提高，張北將通過2022年舉行冬奧會試點，成為可再生能源利用的示范基地。在生物醫學工程方面，生物力學已經從宏觀生物力學發展到了細胞、分子水平的力學生物學，針對人體健康在組織培養、人造器官、介入手術、靶向治療、醫學成像方面有廣闊應用前景。

　　工程科學未來的發展趨勢是研究領域不斷拓展，學科交叉日益凸顯。實際上，錢學森當年已經預見到這一趨勢，比如從空氣動力學、湍流的力學范疇拓展到物理力學、燃燒、磁流體力學、流變學、巖土工程的力學相近學科領域，再到運籌學、計算機技術、電子學、核工程等完全屬于其他學科又跟力學交叉的領域。錢老到晚年還在關心系統科學、人體科學等。另一方面，現代力學本身的關注點也已經從力、運動擴展到介質，從宏觀、細觀擴展到微觀，從機械運動擴展到物理、化學、天文、地質、生物等運動，從理論擴展到先進計算和實驗技術，研究對象也從自然科學擴展到工程技術再到生命體。現在看來，我們還有必要從自然科學擴展到人文社會科學，包括工程管理、工程倫理和工程哲學等，這也是學科交叉的一大趨勢。因此，工程科學應當也有可能引領學科交叉領域前沿研究。

　　為了適應工程科學未來發展的這一趨勢，我們必須培養復合型的工程科學人才，他們要懂得工程設計和實施原理，懂得工程問題的科學基礎、工程分析的數學方法，在導師的指導下進行工程項目實踐。中國科學院大學(簡稱國科大)的做法是：強基礎、寬領域、重實踐、促創新。具體措施包括建立通識教育的課程體系，學業導師的近距離輔導，科教融合的實驗基地，國外訪學的學術交流機制，大作業、畢業論文創新能力提升環節等，從而助力學院達到培養復合型工程技術人才的目標。此外，國科大工程科學學院積極參與教育部新工科建設項目，還得到了北京市高精尖學科建設項目的支持，在此過程中，積極學習國內外一流大學的經驗，進一步促進該院的學科建設和人才培養。

　　中國科學院大學(圖6)工程科學學院建院的宗旨是：以工程科學思想為指導，瞄準新時期“上天、入地、下海”國家重大戰略需求的關鍵科學問題，將原創性研究與工程科學人才的培養有機結合，建立以需求建基地、以基地辦教育、以教育育人才、以人才促發展的科教融合新機制，培養尖端科技人才，成為未來工程科學家和工程技術領軍人才的搖籃。我們深信，在未來通過弘揚錢學森先生工程科學思想，創新復合型人才培養模式，創建世界一流工程科學學院，將為國家輸送優秀的工程科學領軍和骨干人才，為國家現代化建設做出貢獻。——論文作者：李家春

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