《听馆长讲钱学森故事》 第五期

钱学森师从冯·卡门，进入空气动力学研究领域时，正赶上喷气式飞机大发展的阶段，随着飞机的飞行速度不断提升，航空理论研究领域出现了许多新的问题和挑战。

人们发现，当飞行速度接近声速时，飞行的阻力急剧增加，此时飞机的机翼会出现抖动，严重时会使飞机突然丧失攀升力而急速下坠，这就是所谓的“声障”。美国曾有试飞员因此而丧生。如何改进飞机机身和机翼的外形，消除空气阻力对高速飞行的制约，成为当时航空学界亟待解决的难题。

冯·卡门把这个难题交给了钱学森。1939年，28岁的钱学森在冯·卡门的指导下，经过深入细致的研究，发表了《可压缩流体的二维亚声速流动》一文，提出著名的以师生二人共同命名的“卡门—钱近似”公式。这个公式可以便捷、准确地计算出飞机在亚声速飞行中机翼上的压力分布，受到飞机设计师的青睐。在此后的20多年, “卡门一钱近似”公式被广泛应用于飞机翼型的设计，也被收录到许多经典的教科书当中。

非凡成就的取得从来都是来之不易。钱学森曾回忆说，自己写论文的时候，把与空气动力学有关的英文、法文、德文、意大利文等200多篇文献全部看了一遍并进行了仔细的分析，仅阅读文献的笔记就写了450页，从而厘清了空气动力学的来龙去脉。

“卡门一钱近似”公式是空气动力学的一项重大科研成果，钱学森从航空工程领域转向空气动力学领域仅仅三年，就取得了在学科领域具有里程碑意义的重要成就，一颗科学新星冉冉升起。

 钱学森攻读博士期间另一项具有代表性的成果是预见“热障”。

当时，人们普遍认为，飞机处在高空时，机外的气温较低，一般都在零下十几度，甚至零下四十多度，因而飞机的表面会被冷却。钱学森对这一问题进行了深入细致的研究，他发现，飞机在飞行时，机体表面与空气的强烈摩擦会产生热量。当速度低于一定值时，产生的热量并不大，很容易散发掉；但当速度超过一定值时，产生的大量热量来不及散发，将引起机体表面温度急剧升高。随着飞机的飞行速度继续提升，加热现象将越发明显，最终导致机体材料受到破坏，直至引发灾难性的后果。

经过缜密的计算，钱学森给出了自己的推断：当飞行器以6倍声速飞行时，未采取防热措施的飞行器表面温度可能达到外界空气温度的8倍！因此，未来人类在设计高速飞行器时，必须对其表面采取有效的冷却或防热措施。毫无疑问，这一结论对飞机实现高速飞行以及火箭、导弹和飞船的研制都具有极为重要的意义。后来的航天科技实践完全证实了钱学森这一预见的正确性。

1939年6月，钱学森正式提交了博士论文，论文共包括四个部分, 除了提出“卡门—钱近似”公式、预见“热障”之外，钱学森还对火箭或导弹超声速飞行时的空气动力学问题、以脉冲方式推进火箭的方案等问题进行了深入研究。这些杰出成果不仅帮助钱学森顺利获得加州理工学院航空、数学博士学位，也使他一举奠定了自身在世界航空领域的地位。

1938年7月，钱学森被任命为加州理工学院航空系研究员，成为这所世界名校教师队伍的一员。从这时起，他作为冯·卡门的助手与同事，开始攀登更多的科学高峰。

“结构屈曲”是钱学森与冯·卡门一起解决的另一个力学难题。20世纪30年代，全金属结构的飞机替代了木质结构的飞机，成为飞机设计的主流。为了减轻飞机的重量，全金属结构的飞机必然采用薄壳结构，但这种薄壳结构就像我们手中的易拉罐，一旦承受过大的压力就会瘪皱，这就是“结构屈曲”。因此在设计飞机时，设计人员需要精确地知道金属薄壳到底能够承受多大的压力，这是当时的世界性难题。

冯·卡门把这个课题交给钱学森，钱学森进行了深入、系统的研究，提出了全新的计算方法，连续发表了多篇关于“结构屈曲”问题的重要论文，为解决这一难题做出了具有划时代意义的贡献。

钱学森在进行这一课题研究时，不断演算、反复修正，直到第五次，他才觉得满意。钱学森留下的演算草稿有700多页，而最后发表的论文定稿《柱壳轴压屈曲》仅有10页。在完成研究后，钱学森在存放论文稿件的信封上写下了 “Final”（最终成果）字样，但随后意识到，人类对科学真理的探索是永无止境的，于是他又写下 了一句“Nothing is final"（凡事皆无止境）。

钱学森的研究成果很快被航空界接受，在飞机制造公司得到广泛应用，大大提高了金属结构飞机的安全性，对后来火箭壳体的工程设计也有着重要的意义。

而立之年的钱学森已稳稳步入世界一流科学家的行列。

钱学森在航空理论方面取得丰硕研究成果的同时，还成为一个充满传奇色彩的团队——“火箭俱乐部”的重要成员。

当时，在加州理工学院,有几位年轻的学生对研制火箭颇有兴趣, 为首的是冯·卡门的学生马林纳。素以标新立异闻名的冯·卡门并没有觉得他们是异想天开，鼓励他们勇敢尝试，还同意他们使用空气动力学实验室的设备进行火箭研究。

这个由学生组成的火箭研制小组被称为“火箭俱乐部”。后来，钱学森也加入了这个小组，担任理论设计师的工作。他曾回忆说：“马林纳这个人很聪明，组内其他几个人的动手能力也强，但他们在理 论方面不怎么样，于是找到我，要我帮助解决一些理论计算问题。就这样，我参加了火箭研制小组的工作。”

在火箭研制过程中，钱学森发挥自己的特长，解决了火箭设计过程中遇到的一系列理论问题，后来形成了一份研究报告。这份报告成为火箭研制小组研制火箭的理论基础，被成员们视为“圣经”。

火箭研制小组的早期研制工作充满风险。在一次试验中，火箭发生了爆炸，碎片差点击中马林纳，爆炸产生的腐蚀性气体弥漫在校园里。这件事震惊了全校。

校方出于安全考虑，责令火箭研制小组把试验场搬到了郊外的一片山谷中。在历经多次失败后，“火箭俱乐部”终于在这里成功发射了第一枚探空火箭。

如今，这里已经成为美国国家航空航天局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)的所在地。钱学森也因为这一段经历成为了喷气推进实验室的创始人之一。