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传记连载
钱学森(六)
王寿云 等

发布时间:2005-09-30 11:18:58   点击: 2664次

喷气推进与航天技术加州理工学院古根海姆航空实验室的火箭研究,是马林纳、钱学森和其他热心于火箭的人于30年代后期开始的。实验装置起初安置在古根海姆大楼里,后来需要大一点、偏僻一点的地方,于是就移到帕萨迪纳北边的阿洛约·塞科,最后成为加州理工学院著名的喷气推进实验室(JPL)。在古根海姆航空实验室火箭研究的所有方面,冯·卡门都起了极其关键的作用。从马林纳、钱学森规模不大的实验和计算开始,冯·卡门就深信火箭推进的重要性,为他们提供资金和场地,帮助他们把喷气助推起飞的概念推销给空军和海军。与其他早期火箭热心者脱离实际的工作〔如R.H.戈达德(Goddard)的工作〕不同,古根海姆实验室的这一工作对以后的火箭技术直接作出了贡献,而且对这门技术产生过巨大的影响,这就是钱学森对喷气推进技术贡献的背景。

1936年,钱学森参加马林纳领导的火箭研究小组,在冯·卡门指导下,与马林纳等一起研究火箭发动机的热力学问题、探空火箭问题和远程火箭问题等,并参与了美国早期用可储存液体推进剂的几种试验性火箭,如1945年“女兵下士”探空火箭和后来的“下士”导弹研制工作。

1949年,钱学森担任加州理工学院新设的古根海姆喷气推进中心主任及“戈达德”教授,专授火箭技术及喷气推进技术课。

从40年代到60年代初期,钱学森在火箭与航天领域提出了若干重要的概念:在40年代,提出并实现了火箭助推起飞装置(JATO),使飞机跑道距离缩短;在1949年,提出了火箭旅客飞机概念和关于核火箭的设想;在1953年,研究了行星际飞行理论的可能性;在1962年出版的《星际航行概论》中,提出了用一架装有喷气发动机的大飞机作为第一级运载工具,用一架装有火箭发动机的飞机作为第二级运载工具的天地往返运输系统概念。
工程控制论

钱学森亲身经历了流体力学作为一门技术科学,怎样从空气动力工程师、水力工程师、气象工程师以及其他有关领域工程师的工程技术实践中分离出来的过程。由于有了流体力学提供的理论与方法,上述领域的工程师们才能在他们日常的工程技术实践中分享流体力学研究成果。至少可以说,如果没有流体力学提供的理论与方法,那么对超声速流动的了解与利用肯定会大大延迟。站在这样的科学思想和方法论高度,钱学森在40年代末、50年代初对第二次世界大战后迅速发展的控制与制导工程技术实践进行全面观察时,具有比旁人更敏锐的眼光去发现、提炼出指导控制与制导系统设计的普遍性概念、原理、理论和方法,从而创建了作为一门技术科学的《工程控制论》,就是十分自然的事了。

工程控制论在其形成的过程中,把设计稳定与制导系统这类工程技术实践作为主要研究对象。钱学森本人就是这类研究工作的先驱者。1951年,钱学森研究了一种探空火箭的最优推进的设计,即求探空火箭的最优弹道问题,要求提出一条理想弹道,在相同的燃料消耗条件下,使火箭达到的高度最大。由于这种弹道很长,而弹体上控制系统的动作速度相对于这条最优弹道来说是足够大的,钱学森在考虑最优弹道的选择时,把弹体看成是其重心(质心)的运动,而略去刚体运动及弹上控制设备的运动规律,成功地实现了古典变分法对这类问题的应用。钱学森从这里提炼出一种普遍性的看法:针对在整个运动过程中受控对象本身的特性并不重要,重要的是运动规律全局情况,即可以不考虑受控对象的运动方程式的情况下,古典变分法给控制系统设计提供了一种理论与方法。

在1952年,钱学森研究过有时滞的线性系统的一个特例。这个特例就是利用反馈控制的方法使火箭发动机中的燃烧过程稳定。钱学森在“火箭喷管的传递函数”的研究工作中,为了使计算简单起见,假设了只使用一种液体燃料的情形。如果燃烧室中可能发生的振荡频率相当低,就可以把燃烧室内的压力看作是均匀的,而且钱学森作了第一次近似,把流过喷口的气流看作是似稳的,即在任何一段不太长的时间间隔内都可以看作是平稳的。钱学森引入了L.克洛科(Croc-co)的压力与时滞相关的概念,以及明确地引进离开均匀稳定状态的微小扰动概念,成功地建立了描述燃烧室压力变化规律的方程,并进而研究了时滞系统的运动规律。

弹道摄动理论在变系数线性控制系统设计中的应用,也是钱学森的早期研究成果。应用弹道摄动理论的本来目的,只是计算飞行器弹道相对于标准弹道的微小修正量(这种修正是由于飞行器的重量与标准值之间的误差、大气状态的改变、风的扰动作用等因素引起的)。由于现代大型快速电子计算机的出现,完全可以分别地直接计算每一条受扰的弹道,所以弹道摄动理论在弹道计算上的用处也就随之消失了。然而,变系数线性控制系统的设计问题却恰好可以应用弹道摄动理论。R.德瑞尼克(Drenik)在1951年研究过这种理论对远程火箭控制问题的应用。但是,钱学森在1952年发表的《长射程火箭飞行器的自动导航》研究结果,不仅比德瑞尼克的结果更完善,而且包含了自动导航的内容。

第一版《工程控制论》原是用英文写的,1954年由麦克劳·希尔(McGraw-H出)图书公司在美国出版。此后,俄文版于1956年,德文版于1957年,中文版于1958年相继出版。书中所阐明的基本理论和观点,一方面奠定了工程控制论的基础,另一方面指出了进一步研究的方向,对自动化科学技术理论的进展起了重要作用。原书中、英、德、俄等各种文版不断为世界各国科学技术工作者所引证和参考。到1982年,意大利数学家G.P.斯蔡格(Szego)在美国学术出版社出版的《经济分析中的量化新技术》一书中,还对钱学森在《工程控制论》中建立的理论方法有很高的评价。宋健和其他几位中青年控制论理论科学家根据钱学森的委托而完成的《工程控制论》(修订版)于1980年出版。工程控制论从深度与广度上推动了电子计算机技术革命、核能技术革命、航天技术革命和光子技术革命的发展。

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