工程科學(xué)與科技強(qiáng)國(guó)

文 杜善義

工程科學(xué)是基礎(chǔ)科學(xué)與工程的橋梁

工程科學(xué)不是新名詞，早在19世紀(jì)末20世紀(jì)初已經(jīng)形成并有其深刻內(nèi)涵。

20世紀(jì)初，以克萊因、普朗特為代表的科學(xué)家提出了數(shù)學(xué)、力學(xué)等要面向應(yīng)用解決工程問(wèn)題。在力學(xué)方面形成應(yīng)用力學(xué)派，普朗特的學(xué)生馮·卡門(mén)、鐵木辛柯等力學(xué)家繼承應(yīng)用力學(xué)派思想，而馮·卡門(mén)的學(xué)生錢(qián)學(xué)森先生對(duì)此有所發(fā)展，明確提出工程科學(xué)（也有人稱(chēng)之為技術(shù)科學(xué)）思想。

自然科學(xué)重在“探索”與“發(fā)現(xiàn)”自然界已經(jīng)存在的事物，并在此基礎(chǔ)上形成基礎(chǔ)知識(shí)體系。工程則是構(gòu)建自然界不存在的事物，前者屬于認(rèn)識(shí)自然，而后者則是利用與改造自然。

然而，自然科學(xué)形成的知識(shí)體系并不能直接應(yīng)用在工程科學(xué)中，這就產(chǎn)生一個(gè)如何用知識(shí)達(dá)到構(gòu)建事物的問(wèn)題，從而需要有一個(gè)橋梁，這個(gè)橋梁就是工程科學(xué)。

工程科學(xué)的任務(wù)是要將自然科學(xué)應(yīng)用在工程中，解決工程中提出的新理論及方法、技術(shù)問(wèn)題。因此，按照錢(qián)學(xué)森先生的說(shuō)法——工程科學(xué)是自然科學(xué)與工程的橋梁，工程科學(xué)范圍很廣，如應(yīng)用數(shù)學(xué)、力學(xué)、電工學(xué)、材料學(xué)、建筑學(xué)、水力學(xué)、電子信息學(xué)、熱能核能學(xué)、化工學(xué)、儀器儀表學(xué)等都應(yīng)屬于工程科學(xué)范疇。

早在15世紀(jì)，意大利天才科學(xué)家與藝術(shù)家達(dá)·芬奇就指出：理論脫離實(shí)踐是最大的不幸，實(shí)踐應(yīng)以好的理論為基礎(chǔ)，這實(shí)際上即是工程科學(xué)理念。這樣看來(lái)，從事工程科學(xué)的科技工作者就是一支龐大隊(duì)伍。

1947年錢(qián)學(xué)森回國(guó)探親，分別在清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)做報(bào)告，講的內(nèi)容主要是工程科學(xué)。

他指出，工程科學(xué)家的任務(wù)有3個(gè)方面：工程方案的可行性怎么樣；如可行，實(shí)現(xiàn)這個(gè)方案的途徑是什么；如失敗，原因是什么，如何補(bǔ)救。并在報(bào)告中明確提出：為使純科學(xué)家與從事實(shí)用工作的工程師密切合作，將產(chǎn)生一個(gè)新的職業(yè)——工程科學(xué)研究者或工程科學(xué)家。

工程科學(xué)在解決工程中理論與技術(shù)問(wèn)題的作用

工程目標(biāo)的構(gòu)建重在集成，但并非要把科學(xué)家形成的知識(shí)體系直接照搬即用，在工程目標(biāo)實(shí)現(xiàn)中仍會(huì)有一些理論、關(guān)鍵技術(shù)、方法、試驗(yàn)等問(wèn)題需解決，工程中關(guān)鍵、短板問(wèn)題的解決要靠工程科學(xué)家創(chuàng)造性運(yùn)用最新自然科學(xué)成果及所具有的工程經(jīng)驗(yàn)，使工程目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，這是工程科學(xué)的任務(wù)與作用。

工程科學(xué)作為純科學(xué)與工程的橋梁，在整個(gè)工程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)中不僅要有技術(shù)創(chuàng)新，同時(shí)也有理論或知識(shí)創(chuàng)新。

不同領(lǐng)域不同工程，雖目標(biāo)大小、復(fù)雜程度和層次有差別，但是任何一個(gè)工程目標(biāo)都是一個(gè)系統(tǒng)，涉及多領(lǐng)域多學(xué)科，所以工程科學(xué)要解決工程問(wèn)題需體現(xiàn)系統(tǒng)科學(xué)與工程思想及多學(xué)科的交叉與融合。

錢(qián)學(xué)森先生在20世紀(jì)70年代通過(guò)航天實(shí)踐提出的系統(tǒng)工程理論的思想，也是工程科學(xué)任務(wù)的應(yīng)用與實(shí)踐。

可以用幾個(gè)例子進(jìn)行說(shuō)明：

第一個(gè)例子是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。過(guò)去固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室是由高強(qiáng)鋼做成的壓力容器，會(huì)出現(xiàn)打壓試驗(yàn)時(shí)的低應(yīng)力爆破，這是一個(gè)簡(jiǎn)單工程裝備問(wèn)題，產(chǎn)生問(wèn)題的原因是焊接時(shí)出現(xiàn)的裂紋，解決這個(gè)問(wèn)題，涉及力學(xué)理論、材料與焊接工藝3個(gè)方面：

首先要用力學(xué)分支斷裂力學(xué)（考慮結(jié)構(gòu)有缺陷）分析原因。

其次是材料問(wèn)題：這種低應(yīng)力破壞原因主要是由焊接裂紋存在引起的，材料的選擇要考慮在滿足強(qiáng)度的同時(shí)重視其韌性，即材料抗裂紋擴(kuò)展的能力。對(duì)于金屬材料來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度與韌性有矛盾，必須研制一種強(qiáng)度與韌性均滿足要求的新鋼材。

最后是焊接工藝問(wèn)題，采用新工藝，避免焊接裂紋出現(xiàn)。在工程實(shí)踐中通過(guò)力學(xué)（設(shè)計(jì)）、材料與工藝交叉結(jié)合，解決了這個(gè)低應(yīng)力爆破問(wèn)題。

第二個(gè)例子是工程裝備的結(jié)構(gòu)效率問(wèn)題。對(duì)任何一個(gè)工程裝備，尤其是空天飛行器，在保證安全性前提下，提高結(jié)構(gòu)效率或結(jié)構(gòu)輕量化是永恒的主題。

1961年，錢(qián)學(xué)森先生在給中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)力學(xué)系學(xué)生講授“星際航行概論課”時(shí)有一句名言是“航天器一個(gè)零件減少一克重量都是貢獻(xiàn)”。輕量化是在給定的技術(shù)邊界條件下，實(shí)現(xiàn)所需功能的系統(tǒng)最小質(zhì)量化，并且確保整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)系統(tǒng)的可靠性。

解決這個(gè)工程問(wèn)題要從設(shè)計(jì)、制造與材料3個(gè)工程科學(xué)因素方面綜合考慮才能實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，先進(jìn)制造是保證，而高比性能材料則是物質(zhì)基礎(chǔ)。碳纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料應(yīng)是首選材料，航天器材料已實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料化，航空器正在努力實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化。

這正是工程科學(xué)的研究?jī)?nèi)容，要研究先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天器能用、會(huì)用、用好，這需解決設(shè)計(jì)、力學(xué)、材料、制造等工程科學(xué)問(wèn)題才能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)合化，進(jìn)而達(dá)到結(jié)構(gòu)輕量化，從而提高結(jié)構(gòu)效率。

第三個(gè)例子是高超聲速飛行問(wèn)題。這是人類(lèi)對(duì)時(shí)空運(yùn)用的顛覆性技術(shù)。世界各科技大國(guó)均在進(jìn)行研究，從高超聲速的科學(xué)理論到工程實(shí)現(xiàn)，這中間有許多屬于工程科學(xué)的問(wèn)題要解決。

高超聲速飛行是在20～100km的臨近空間飛行，這個(gè)飛行環(huán)境與空中及太空環(huán)境有區(qū)別，必須解決一些新的理論與技術(shù)問(wèn)題，如高速空氣動(dòng)力學(xué)、先進(jìn)推進(jìn)理論與技術(shù)、自主控制理論與方法和面對(duì)高超聲速飛行引起的新熱障下的防護(hù)材料結(jié)構(gòu)等問(wèn)題。

每個(gè)科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題都具有挑戰(zhàn)性，這里僅以新熱障問(wèn)題為例，高超聲速帶來(lái)熱障問(wèn)題與傳統(tǒng)熱障問(wèn)題不同，后者主要是鋁合金等金屬材料，在飛行速度達(dá)三個(gè)馬赫數(shù)左右時(shí)，飛行器表面溫度達(dá)300℃左右，金屬材料在此溫度下力學(xué)性能大幅度下降，要解決的是在這種溫度下的材料與結(jié)構(gòu)問(wèn)題。

而高超聲速飛行器表面溫度超1000℃或更高，在這種情況下不被燒蝕，甚至還要重復(fù)利用。這中間熱環(huán)境，熱防護(hù)材料與結(jié)構(gòu)，熱響應(yīng)以及熱模擬試驗(yàn)等一系列問(wèn)題，涉及力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)以及電磁學(xué)等學(xué)科交叉問(wèn)題。

上述3個(gè)例子所解決的理論、方法及技術(shù)等問(wèn)題，具有一定普適性，這也充分體現(xiàn)工程科學(xué)在工程中的重要應(yīng)用。

工程科學(xué)是科技強(qiáng)國(guó)建設(shè)的重要抓手

目前，要更加重視工程科學(xué)的運(yùn)用與工程科學(xué)家的培養(yǎng)，這是科技強(qiáng)國(guó)建設(shè)的重要抓手。

根據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織一項(xiàng)調(diào)查表明：人類(lèi)知識(shí)更新速度不斷加快，18世紀(jì)時(shí)更新速度為80～90年、19世紀(jì)初為30年，20世紀(jì)60年代為5～10年、20世紀(jì)80至90年代為5年，進(jìn)入本世紀(jì)只有2～3年。

快速出現(xiàn)的新理論、新方法與新技術(shù)屬工程科學(xué)范疇，只有重視工程科學(xué)，才能使科技發(fā)展跟得上。建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)是我們的科技?jí)簦瑢?duì)于高科技含量的工程裝備特別重要。

過(guò)去主要是解決有無(wú)問(wèn)題，是跟跑，很少領(lǐng)域達(dá)到并跑；至于領(lǐng)跑僅是極個(gè)別領(lǐng)域；許多領(lǐng)域以數(shù)量論均是第一，但大而不強(qiáng)。

重視工程科學(xué)，以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控，并通過(guò)創(chuàng)新產(chǎn)生新的理論、方法和前沿技術(shù)，甚至顛覆性技術(shù)，使中國(guó)在重要的工程領(lǐng)域達(dá)到并跑與領(lǐng)跑的水平，這是科技強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志。

科技強(qiáng)國(guó)建設(shè)，人才是關(guān)鍵，從事工程科學(xué)研究的科技隊(duì)伍，應(yīng)提高科學(xué)理念與工程意識(shí)，重視工程需求，用科學(xué)（基礎(chǔ)科學(xué)）所形成的知識(shí)體系，通過(guò)創(chuàng)新解決工程中所提出的理論、方法、技術(shù)等問(wèn)題，產(chǎn)生原創(chuàng)性成果，從而為科技強(qiáng)國(guó)夢(mèng)的實(shí)現(xiàn)做出貢獻(xiàn)。