钱学森在美国的20年

钱学森很快成为冯·卡门的亲密合作者和得力助手,成为当时航空界和加州理工学院里最惹人注目的人物,并被加州理工学院古根海姆航空实验室聘为研究人员。此后10多年,钱学森为了飞机的高速飞行,突破“声障”和“热障”不断探索,作出了全方位的重大贡献。

罗斯福重科技　广开科研路

1936年-1939年,正当钱学森攻克空气动力学中的世界难题,为航空工程设计提出高速飞行的新理论、新方法、新公式时,德国希特勒建立独裁政权,扩充军备,特别重视发展空军。

1937年7月7日,日本帝国主义在中国悍然挑起“芦沟桥事变”,发动全面侵华战争。同年12月13日,日本帝国主义制造震惊世界的“南京大屠杀”。钱学森闻讯后彻夜难眠,义愤填膺,决心用各种方式为国效力,报仇雪恨!

1940年初,德军借助其远程轰炸机、战斗机和机械化部队的优势,席卷欧洲大陆,然后又大举进攻英国,1800多架飞机布满英国上空,英国危在旦夕,首相丘吉尔向美国总统罗斯福紧急求援。罗斯福通过国会一方面支援英国,一方面拨款几十亿美元,希望尽快制造出性能先进的飞机、军舰、坦克、大炮，准备迎战。

罗斯福对于发展先进武器、炸药的科学技术尤为关注，经常与一些科学家讨论、研究。1939年8月2日，科学家爱因斯坦致信罗斯福，在信中，他预料，在不久的将来，铀元素会变成一种重要的新能源。它也可以用来制造出极有威力的新型炸弹。而德国在这方面有可能采取先发制人的行动……这封信引起罗斯福重视，立即成立铀问题咨询委员会，并集结奥本海默等一大批由科学家、军事家和科学技术人员组成的庞大队伍，开始研制原子弹的曼哈顿计划。

钱学森最近回忆说：“二战爆发后不久，罗斯福总统特别注意发展科学技术，多次把科学家们找来共同讨论在美国如何发展科学技术的问题，当时就找到冯·卡门等科学家，他们讨论来，讨论去，结果就做出要尽快搞火箭发射、搞原子弹和氢弹这个英明的决定。因为一般的火炮打原子弹、氢弹，打不远，不行。有了火箭发射，你想打到哪儿，哪儿就完了，毁灭性的。”当时，钱学森暗下决心：我虽与祖国远隔重洋，不能上战场与日军搏斗，但可以利用在美国的科学研究和实验条件，去抢占世界科技高峰，借以提高军事力量，打击帝国主义德、日、意。

飞机超声速薄壳不失稳

在二战中,空军的重要作用日益明显,交战各国都在设法采用薄而轻的金属制造飞机的壳体，如果金属壳体太薄、太轻,高速飞行时,壳体就有可能因为超过一定载荷而皱瘪下去,即所谓发生“屈曲”而失稳,以致完全破损,折戟沉沙。

当时,航空设计人员依靠经典线性理论计算出来的数值,与实验值差距很大(几乎差上3至4倍),无法应用。人们实际上是凭借经验去设计薄壳金属飞机,成功率很低。冯·卡门深知解决这个难题在二战中的重大意义,于是又鼓励钱学森尽快解决“薄壳失稳”的问题。

1940年之初,钱学森系统地分析研究了前人在有关薄壳理论中的初步成果和大量失败的教训,还搜集了能够得到的点点滴滴的实验数据。他发现,航空界的科技人员当时所掌握和运用的经典理论,几乎没有考虑到非平板式的金属壳体在受到外界的干扰时,会被激发而发生位能的高低跃变。因此,不仅要知道经典线性理论所给出的“上”屈曲载荷的准确数值,还要特别注意找出使壳体发生有限变形时“下”屈曲载荷的准确数值。实际证明,对后者的计算结果与试验值十分接近,应该成为飞机设计的主要依据。这一新的发现和观念,很快被航空理论界和工程界所接受。

1941年,钱学森关于薄壳稳定性的科研成果,在美国的《航空科学学报》上,公诸于世,但是其篇幅只有10页,极为简明。他随后把这800多页手稿存放到纸袋里,并在纸袋外面写下了“Final”(最终的成果)字样。但他立刻想到,认识是无止境的,真理是相对的,于是,紧接着又在下一行写了“Nothing　is　final”(终极的认识是不存在的)。

参加“火箭组”　研制助推器

1938年秋天,冯·卡门和校长米立肯参加美国科学院所属的空军研究委员会召开的会议,会议提出发明一种火箭,能够助推重型轰炸机,使它能在很短的跑道上或从航空母舰上迅速起飞。当时传言纳粹德国正在发展火箭,美军感到特别紧迫。冯·卡门回到学校立即找马利纳、钱学森等人商议,决定接受这个名为“JATO”的任务。

火箭研究小组活动初期,没有经费支持,是靠这几个“火箭迷”自己掏腰包,或在学校实验室里打工挣点钱,然后去工厂的废料库、垃圾场等处,挑拣些可能有用的五金材料,回来敲敲打打,制造火箭模型。在他们开始研究火箭的固体推进剂时,爆炸试验屡屡失败,毁坏了学校的实验设备,生命安全也难保,被人们称为“自杀俱乐部”。冯·卡门只好把他们赶到校外一个偏远的山谷——阿洛约·塞科(Arroyo　Seco)(几十年后,这个偏僻荒凉的山谷,发展成为美国宇航局著名的喷气推进实验中心的所在地)。钱学森为什么被邀请参加火箭研究小组呢?他这样回忆说:“马利纳这个人很聪明,小组的其他几个人动手能力也很强,但他们在理论上不怎么行,于是找到我,要我帮助他们解决一些理论和计算问题。”钱学森原本对火箭的制造与发射就十分有兴趣,也意识到火箭技术的军事意义,因而,对有关火箭的资料早有搜集、研究、分析。他的博士论文最后一部分就是探讨和论证,采用连续脉冲逐次推进的方法发射火箭的设计方案与计算。题目是:《探空火箭(特别是有关连续脉冲式推进的)飞行分析》。从理论上证明火箭的飞行高度可以达到10万英尺。