從應(yīng)用力學(xué)到工程科學(xué)

李家春

“工程科學(xué)與工程創(chuàng)新”專刊

從應(yīng)用力學(xué)到工程科學(xué)

李家春1，2

（1. 中國科學(xué)院 力學(xué)研究所，北京 100190；2. 中國科學(xué)院大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049）

工程科學(xué)起源于20世紀(jì)初德國以普朗特為代表的應(yīng)用力學(xué)學(xué)派；20世紀(jì)30年代應(yīng)用力學(xué)研究中心轉(zhuǎn)移到美國以馮·卡門為代表的古根海姆空氣動力學(xué)實驗室，錢學(xué)森先生師從馮·卡門，在這一領(lǐng)域做出了杰出貢獻(xiàn)，并明確提出、系統(tǒng)闡述了工程科學(xué)的思想。國內(nèi)外航空、航天工程的實踐已經(jīng)證明，工程科學(xué)可以加速科學(xué)革命、經(jīng)濟發(fā)展、社會進步。未來工程科學(xué)研究領(lǐng)域?qū)淖匀滑F(xiàn)象擴展到生命體乃至人文科學(xué)，如：工程管理、工程倫理和工程哲學(xué)，并引領(lǐng)交叉學(xué)科領(lǐng)域的前沿研究。為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，我們將通過強基礎(chǔ)、闊領(lǐng)域、重實踐、促創(chuàng)新，加速復(fù)合型工程科學(xué)人才的培養(yǎng)。

工程科學(xué)；錢學(xué)森；應(yīng)用力學(xué)；航空航天；國科大

在2020年國家將布局“十四五規(guī)劃”之際，科技教育受到社會各界的重視，本次工程科學(xué)高峰論壇旨在研討工程科學(xué)思想在工程相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)中的地位和作用。眾所周知，工程科學(xué)概念是錢學(xué)森先生首先提出來的。要準(zhǔn)確理解和把握這一概念，不僅應(yīng)當(dāng)了解錢學(xué)森先生所從事的學(xué)科專業(yè)，而且應(yīng)當(dāng)了解這一學(xué)科專業(yè)發(fā)展的歷史。所以，本文從應(yīng)用力學(xué)的發(fā)展講起，把工程科學(xué)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(xiàn)和未來發(fā)展，并結(jié)合當(dāng)前的新工科建設(shè)，就工程科學(xué)人才培養(yǎng)談?wù)劰P者的一些思考。

1 應(yīng)用力學(xué)學(xué)派的興起

回顧歷史，19~20世紀(jì)之交，經(jīng)典物理學(xué)大廈的上空出現(xiàn)了兩朵烏云。筆者從事流體力學(xué)研究，所以就從當(dāng)時流體力學(xué)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(jīng)典實驗（圖1），發(fā)現(xiàn)自然界或工程中普遍存在兩種流動狀態(tài)：層流和湍流，湍流狀態(tài)時的動量、質(zhì)量、能量傳輸率遠(yuǎn)高于層流狀態(tài)?？茖W(xué)家為了回答在什么條件下層流會轉(zhuǎn)變成湍流，轉(zhuǎn)捩的完整過程是怎樣的，以及如何描述和計算完全發(fā)展的湍流奮斗了一個世紀(jì)。

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(fā)現(xiàn)動力飛行可以真正實現(xiàn)人類的飛行夢想?？茖W(xué)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(shè)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(jì)。

為了攻克這兩個難題，出現(xiàn)了以普朗特、馮·卡門為代表的應(yīng)用力學(xué)學(xué)派，隨后，錢學(xué)森又發(fā)展了工程科學(xué)思想，于是國際和中國的航空、航天工程飛速發(fā)展，使人類進入太空時代。

十九世紀(jì)的德國十分重視教育，哥廷根學(xué)派最早從數(shù)學(xué)王子高斯開始，然后是黎曼、希爾伯特、克萊因等數(shù)學(xué)家。到19世紀(jì)末，世界科技中心已經(jīng)從英、法轉(zhuǎn)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(chuàng)新欣欣向榮，正在趕超德國。克萊因認(rèn)為，哥廷根大學(xué)不能僅僅搞基礎(chǔ)理論，他倡導(dǎo)基礎(chǔ)科學(xué)同工程的結(jié)合，從而使自然科學(xué)成果盡快應(yīng)用到工程技術(shù)中。于是，他建立了三個應(yīng)用科學(xué)系：一個是希爾伯特的應(yīng)用數(shù)學(xué)系，一個是索莫菲爾特技術(shù)物理系，還有一個就是應(yīng)用力學(xué)系。他聘請普朗特?fù)?dān)任應(yīng)用力學(xué)系主任，隨后該系涌現(xiàn)了一批應(yīng)用力學(xué)人才，包括馮·諾依曼、柯朗、諾特、鐵木辛柯等，極大地推動了應(yīng)用力學(xué)的飛速發(fā)展。

圖1 O.雷諾的圓管流動試驗發(fā)現(xiàn)了層流和湍流兩種流動狀態(tài)（Philos. Trans. R.S. 174，1883）

圖2 1903年，萊特兄弟成功研制了飛機，實現(xiàn)了人類第一次動力飛行

普朗特在這一時期做出重要貢獻(xiàn)。他首先創(chuàng)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(shè)計，因此，普朗特被公認(rèn)為是近代力學(xué)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(yīng)。普朗特混合長度理論是湍流的早期研究成果。正是他在應(yīng)用力學(xué)領(lǐng)域的這一系列貢獻(xiàn)，為航空航天技術(shù)發(fā)展和實現(xiàn)動力飛行奠定了基礎(chǔ)。

1930年代，應(yīng)用力學(xué)研究中心轉(zhuǎn)移到美國。除了德國卷入世界大戰(zhàn)的原因外，美國亦更加重視人才引進。特別是加州理工學(xué)院的密里根院長，他引進了遺傳學(xué)家摩根和空氣動力學(xué)家馮·卡門。馮·卡門擔(dān)任了古根海姆空氣動力學(xué)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(xué)森、郭永懷、林家翹等科學(xué)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(xué)家在這一領(lǐng)域做出杰出貢獻(xiàn)。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(shù)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(chǔ)。高超聲速飛行、稀薄氣體流動學(xué)科是由錢學(xué)森先生首創(chuàng)的，林家翹先生解決了流動穩(wěn)定性這樣一個數(shù)學(xué)上和物理上的難題[2]?；鸺七M亦是錢學(xué)森先生探索的領(lǐng)域。由此可見，在世界航空科學(xué)研究領(lǐng)域也記載了中國科學(xué)家的貢獻(xiàn)。

2 工程科學(xué)思想的提出

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

為什么錢學(xué)森先生會提出工程科學(xué)思想，從他的經(jīng)歷中可以略見一斑（圖3）。在美國，他親自經(jīng)歷火箭的研制，參加了美國航空航天計劃“邁向新高度”（Towards new horizon）的規(guī)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(xué)技術(shù)的新挑戰(zhàn)。為了實現(xiàn)飛上太空的夢想，人類的知識不能局限于力學(xué)學(xué)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(xué)森先生在被美國移民局軟禁期間撰寫了《物理力學(xué)》與《工程控制論》兩部工程科學(xué)的代表作，預(yù)見了新興學(xué)科的重要性。所以，工程科學(xué)是應(yīng)用力學(xué)的進一步拓展，強調(diào)學(xué)科交叉研究，適用于眾多的科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域，符合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的趨勢。

圖3 在中國科學(xué)院力學(xué)研究所主樓前的錢學(xué)森紀(jì)念銅像

工程科學(xué)的特點可以概括如下：其一是必須具有明確的應(yīng)用目標(biāo)；其二是直接解決工程技術(shù)關(guān)鍵問題；其三是基于科學(xué)認(rèn)識、物理思想、數(shù)學(xué)方法來給出問題的解答；其四是加速自然科學(xué)與工程技術(shù)的結(jié)合，并能引領(lǐng)工業(yè)前進?，F(xiàn)在科技革命日益加速的原因就是科學(xué)理論與工程技術(shù)的快速結(jié)合。所以，除了少部分科學(xué)家，比如純粹數(shù)學(xué)家、理論物理學(xué)家等專門從事極其重要的基礎(chǔ)理論外，大多數(shù)科學(xué)家要從事與應(yīng)用相關(guān)的研究。

顯然，工程科學(xué)可以加速科學(xué)革命、技術(shù)飛躍、經(jīng)濟發(fā)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(xué)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(wèi)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(lián)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(xué)森起草《建立我國國防航空工業(yè)意見書》；1958年，科學(xué)院實施581計劃，第二年力學(xué)所開始火箭推進、高速空氣動力學(xué)、高溫結(jié)構(gòu)前沿研究；1965年，成立651設(shè)計院，1970年4月24日發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星（圖4）；1975年，第一顆返回式衛(wèi)星；1984年，第一顆同步衛(wèi)星；2005年，神舟五號載人飛行；2011~2013年，發(fā)射天宮一號與神舟八、九、十號，實現(xiàn)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(xiàn)了繞、落、回的目標(biāo)，先后大約也經(jīng)歷了60年左右的時間?，F(xiàn)在的中國科學(xué)院大學(xué)雁棲湖校區(qū)，即當(dāng)年的礦冶學(xué)校，實際上就是中國科學(xué)院的火箭試驗基地，現(xiàn)在是中國科學(xué)院與“兩彈一星”紀(jì)念館館址（圖5）。當(dāng)年中國科學(xué)院集中力量科技攻關(guān)，解決了其中的若干關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題：其一，研制了500kg推力的液氫液氧火箭發(fā)動機，為我國隨后的液體火箭奠定基礎(chǔ)；其二，衛(wèi)星設(shè)計院的本體設(shè)計是我國空間科學(xué)和技術(shù)的開端；其三，燒蝕防熱的理論和實驗研究，是衛(wèi)星回收、飛船回地的安全保障。

圖4 我國1970年4月24日成功發(fā)射的第一顆人造衛(wèi)星

然而，隨著21世紀(jì)的科技發(fā)展，我們工程科學(xué)也必須在現(xiàn)有的基礎(chǔ)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(yīng)當(dāng)有新的思考。

3 工程科學(xué)的未來發(fā)展

當(dāng)前世界科技發(fā)展迅猛，一方面，基礎(chǔ)理論醞釀著新的重大的突破，例如對宇宙起源、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、認(rèn)知科學(xué)等各領(lǐng)域的探索；另一方面，顛覆性、變革性技術(shù)不斷涌現(xiàn)，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(dāng)前產(chǎn)業(yè)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(jīng)歷了100年時間。從1950年代發(fā)射人造衛(wèi)星，建成核電站，經(jīng)過1980年代超級計算機、互聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)更新?lián)Q代?，F(xiàn)代科技對人類社會產(chǎn)生巨大的影響，比如說經(jīng)濟發(fā)展的速度，文明進步的程度，生活方式的轉(zhuǎn)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(jīng)成為世界經(jīng)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(dǎo)航、量子科技、5G通訊、雜交水稻等。經(jīng)過20世紀(jì)50~60年代的向科學(xué)進軍，到80~90年代的科教興國，再到目前的科技強國，現(xiàn)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(fā)展中國家，實現(xiàn)兩個百年目標(biāo)還需要艱巨努力，特別是在科學(xué)技術(shù)的原始創(chuàng)新方面，需要從目標(biāo)、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(zhì)量地完成工業(yè)化的進程，制造業(yè)占有舉足輕重的地位，其中，工程科學(xué)可以發(fā)揮重要作用。

在這里我們列舉工程科學(xué)若干領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)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(tǒng)，以滿足天地間人員往來和物資運輸?shù)男枨?。美國的航天飛機已經(jīng)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(lǐng)域我國已經(jīng)走上自主研發(fā)的道路，我國的商用客機不僅要在材料、降噪、安全等達(dá)到先進指標(biāo)，通過適航飛行考核，尤其要攻克飛機發(fā)動機研發(fā)中的卡脖子問題。海岸、海洋工程方面，我國在港口、橋梁建設(shè)方面世界領(lǐng)先，海洋工程目前的發(fā)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(yuǎn)海的目標(biāo)還有距離。目前，我國海洋平臺多數(shù)是近海固定式的，半潛式深水鉆井平臺剛剛下水，要自主設(shè)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(jīng)研發(fā)了和諧號、復(fù)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(wǎng)。在能源利用方面已經(jīng)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(fā)的先進核電設(shè)備華龍一號已經(jīng)成功并網(wǎng)，水合物、頁巖氣、煤層氣等非常規(guī)能源的開發(fā)有發(fā)展?jié)摿?；我國可再生能源發(fā)展初具規(guī)模，通過太陽能、風(fēng)能與儲能等技術(shù)結(jié)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(yī)學(xué)工程方面，生物力學(xué)已經(jīng)從宏觀生物力學(xué)發(fā)展到了細(xì)胞、分子水平的力學(xué)生物學(xué)，針對人體健康在組織培養(yǎng)、人造器官、介入手術(shù)、靶向治療、醫(yī)學(xué)成像方面有廣闊應(yīng)用前景。

工程科學(xué)未來的發(fā)展趨勢是研究領(lǐng)域不斷拓展，學(xué)科交叉日益凸顯。實際上，錢學(xué)森當(dāng)年已經(jīng)預(yù)見到這一趨勢，比如從空氣動力學(xué)、湍流的力學(xué)范疇拓展到物理力學(xué)、燃燒、磁流體力學(xué)、流變學(xué)、巖土工程的力學(xué)相近學(xué)科領(lǐng)域，再到運籌學(xué)、計算機技術(shù)、電子學(xué)、核工程等完全屬于其他學(xué)科又跟力學(xué)交叉的領(lǐng)域。錢老到晚年還在關(guān)心系統(tǒng)科學(xué)、人體科學(xué)等。另一方面，現(xiàn)代力學(xué)本身的關(guān)注點也已經(jīng)從力、運動擴展到介質(zhì)，從宏觀、細(xì)觀擴展到微觀，從機械運動擴展到物理、化學(xué)、天文、地質(zhì)、生物等運動，從理論擴展到先進計算和實驗技術(shù)，研究對象也從自然科學(xué)擴展到工程技術(shù)再到生命體?，F(xiàn)在看來，我們還有必要從自然科學(xué)擴展到人文社會科學(xué)，包括工程管理、工程倫理和工程哲學(xué)等，這也是學(xué)科交叉的一大趨勢。因此，工程科學(xué)應(yīng)當(dāng)也有可能引領(lǐng)學(xué)科交叉領(lǐng)域前沿研究。

為了適應(yīng)工程科學(xué)未來發(fā)展的這一趨勢，我們必須培養(yǎng)復(fù)合型的工程科學(xué)人才，他們要懂得工程設(shè)計和實施原理，懂得工程問題的科學(xué)基礎(chǔ)、工程分析的數(shù)學(xué)方法，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進行工程項目實踐。中國科學(xué)院大學(xué)（簡稱國科大）的做法是：強基礎(chǔ)、寬領(lǐng)域、重實踐、促創(chuàng)新。具體措施包括建立通識教育的課程體系，學(xué)業(yè)導(dǎo)師的近距離輔導(dǎo)，科教融合的實驗基地，國外訪學(xué)的學(xué)術(shù)交流機制，大作業(yè)、畢業(yè)論文創(chuàng)新能力提升環(huán)節(jié)等，從而助力學(xué)院達(dá)到培養(yǎng)復(fù)合型工程技術(shù)人才的目標(biāo)。此外，國科大工程科學(xué)學(xué)院積極參與教育部新工科建設(shè)項目，還得到了北京市高精尖學(xué)科建設(shè)項目的支持，在此過程中，積極學(xué)習(xí)國內(nèi)外一流大學(xué)的經(jīng)驗，進一步促進該院的學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)。

中國科學(xué)院大學(xué)（圖6）工程科學(xué)學(xué)院建院的宗旨是：以工程科學(xué)思想為指導(dǎo)，瞄準(zhǔn)新時期“上天、入地、下?！眹抑卮髴?zhàn)略需求的關(guān)鍵科學(xué)問題，將原創(chuàng)性研究與工程科學(xué)人才的培養(yǎng)有機結(jié)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(fā)展的科教融合新機制，培養(yǎng)尖端科技人才，成為未來工程科學(xué)家和工程技術(shù)領(lǐng)軍人才的搖籃。我們深信，在未來通過弘揚錢學(xué)森先生工程科學(xué)思想，創(chuàng)新復(fù)合型人才培養(yǎng)模式，創(chuàng)建世界一流工程科學(xué)學(xué)院，將為國家輸送優(yōu)秀的工程科學(xué)領(lǐng)軍和骨干人才，為國家現(xiàn)代化建設(shè)做出貢獻(xiàn)。

圖6 中國科學(xué)院大學(xué)玉泉路校園全景

[1] Prandtl L. On the friction of a flat plate by fluid with very low viscosity[M]. Heidberg: Int.Cong.Math., 1904.

[2] Von Karman T. From low speed aerodynamics to astronautics[M]. University of Maryland, 1963.

[3] Tsien H S. Engineering and Engineering Sciences[J]. Journal of the Chinese Institution of Engineers, 1948.

[4] 錢學(xué)森. 論技術(shù)科學(xué)[J]. 科學(xué)通報, 1957, 4.

From Applied Mechanics to Engineering Science

Li Jiachun1, 2

(1. Instiute of Mechanics Chinese Acdemy of Sciences, Beijing 100190, China;2. School of Engineering Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Engineering science originated from the school of Applied Mechanics represented by L. Prandtl in Germany at the beginning of the 20th century. In the 1930s, the center of Applied Mechanics was moved to the Guggenheim Aerodynamics Laboratory led by T. Von Kamen in the United States. In particular, Dr. Tsien made outstanding contributions in this field at that time and then clearly proposed and systematically elaborated the concept of engineering science. The practice of aeronautical & aerospace engineering at home and abroad has proved that engineering science can accelerate scientific revolution, economic development and social progress. When looking forward in the future, the field of engineering science research will extend from natural phenomena to living things and even the humanities, such as engineering management, engineering ethics and engineering philosophy, and lead the frontier research in the interdisciplinary field. In order to adapt to this new trend, we will speed up the cultivation of compound engineering science talents by strengthening foundation, broadening field, emphasizing practice and promoting innovation.

engineering science; Tsien Hsue-shen; applied mechanics; aerospace; UCAS

2020–01–10;

2020–09–15

李家春（1940–），男，中國科學(xué)院院士，中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院院長。研究方向：流體力學(xué)。E-mail：jcli05@imech.ac.cn

O3；V1；G4

A

1674-4969(2020)05-0429-06

10.3724/SP.J.1224.2020.00429