钱学森诞辰106周年:钱学森为何报考清华庚款留美考试航空专业?

姜玉平

    钱学森是我国航天科技事业的奠基人,也是世界航天事业的重要开拓者之一。那么,他何时开始涉足航天领域呢?一般认为,1937年钱学森在加州理工学院加入F.马林纳等人组织的火箭研究小组,后来还担任火箭小组的理论研究工作。学术界也将此视为钱学森从事火箭等航天活动的起点。笔者最新的研究表明,钱学森航空航天之路始于交通大学,最直接的证据是他在从交大毕业到出国留学这段时间内发表了多篇关于航空、火箭的文章。其中,两篇文章最具代表性,反映了钱学森在交大求学时期对航空、火箭的探索活动。通过这两篇文章及其相关文章的解读,可以窥探当时钱学森转移专业方向的思想动因,揭示其报考庚款留美航空专业的心路历程与内外因素。

两篇论文的主要内容

    1929年,钱学森以全校第三名的成绩考取国立交通大学(当时隶属于国民政府铁道部),入机械工程学院专攻铁道机械。钱学森1934年以优异的成绩从交大毕业,并考取第二届庚款留美公费生,专业为航空工程,1935年8月东渡北美深造。在出国前不久,他发表了“气船与飞机之比较及气船将来发展之途径”与“火箭”两文。

    “气船与飞机之比较及气船将来发展之途径”一文1935年1月发表于航空委员会主办的《航空杂志》第5卷第1期,主要对飞艇和飞机的性能做了分析比较,并讨论了飞艇的改进途径与未来发展前景,这里的“气船”即飞艇。通过综合分析,作者认为:“飞艇改进的余地尚多,而又以大飞艇为有希望。飞机则在吨位方面似已达一限度”,气艇作长途飞行,“其安全性必不亚于飞机”,“吾人终在不远之将来,见世界航空线上,满布伟大之气船”。这个结论被后来航空事业发展的事实否定。不过,作者在文中所选用的数据均来自当时的科技文献,分析方法也是科学严谨、周全细致的。他的结论正是当时航空工业基本状况的反映,道出了飞机设计中的瓶颈问题。当时,飞艇发展已较为成熟,而由于缺乏科学理论的支持,飞机设计主要靠经验,性能的提升受到很大限制。后来,应用力学飞速发展,使飞机的设计水平与性能突飞猛进,飞机取代飞艇,成为战争中举足轻重的武器和重要的交通工具。具有戏剧性的是,钱学森正是凭藉在应用力学领域的杰出成就而成为著名力学家,而应用力学却是为他并不看好的飞机提供指导技术设计的科学理论。从这个角度来说,早年对航空的关注和研究为他后来转向这个领域奠定了兴趣与知识基础,此文系钱学森探索航空科学的学步之作。

    “火箭”一文于1935年7月发表在《浙江青年》第1卷第9期,它是一篇介绍火箭的原理、性能、用途与构造的文章。作者在这篇文章中首先以焰火火箭为例,从作用力与反作用力原理出发介绍了火箭上升的道理。其次,讨论了火箭推进剂。再次,作者讨论了多级火箭。综观全文,文章主要介绍火箭基本知识,并无什么发明,属于科普层次。况且,《浙江青年》也只是一份以中等文化素质人群为对象的通俗杂志。这篇文章在钱学森科学生涯中却具有非同寻常的意义。一方面,它是钱学森研究火箭的起点,后来火箭成为他毕生从事的一个重要领域。文章所彰显出的浪漫主义风格与开拓创新精神塑造了作者的学术风格,影响了后来的科学道路。

钱学森选择攻读航空科学的主客观因素

    按照常理,钱学森从交通大学毕业后将成为一名铁道工程师。但是,长为何放弃前景光明而体面的事业,另起炉灶选择与他几乎不相干的专业呢?这是个非常值得探讨的问题。结合钱学森成长的时代环境、他个人回忆以及散见于各处的零星材料,笔者认为下列条件与因素促成钱学森转换专业,走上了研究航空科学之路。

    1  社会环境与国家需要影响钱学森学术兴趣的转移

    钱学森一生涉足过多个科学领域,每次学术兴趣的转移都折射出他的人生价值取向。1929年,他在北师大附中毕业时放弃近在咫尺、声誉日隆的澳门赌场平台,毅然选择交通大学,这直接表露出他的价值观。因为,在其父亲钱均夫先生的引导下,钱学森自幼年起就接受了以现代科学为基础的新式教育,形成了“实业救国”的价值取向。当时的交大被誉为“全国造就建设人才最高学府”,对于追求实业救国的青年来说,进入交大深造自然是最好不过的选择。

    1930年代初,中日关系日趋紧张,九一八、一二八事件接踵而至。日寇狭现代武器长驱直入,国土沦丧,生灵涂炭,民族生存面临危机,激起了民族自觉自救的怒潮。科学界有志之士积极呼吁重视国防科技,制造利器以御外敌,高等教育界也积极提倡理工等实用科学的建设。鉴于飞机是维护和平的有效武器,一时间航空救国、飞机救国成为科学界、高等教育界讨论的热门话题,各大学纷纷着手筹备航空科学的教学与研究。在留学生选派方面,各留学生考选机构也增加了实用科学人才的派遣学额,以应国需。这些措施为有志于献身国防建设的理工科学生打开了报效祖国的方便之门,激发了他们的热情和兴趣。

    在交大求学的钱学森时刻关心国家民族的命运,他参加过爱国学生组织的游行运动,对国家民族的危机具有清醒的认识。特别是在一二八事件中,他目睹日寇轰炸机给上海造成的惨重损失,意识到飞机与制空权在现代战争中的重要意义。而当时中国空军还处于草创阶段,与日寇相比,显得不堪一击,无法担起守土卫国的重任。在民族处于生死存亡的紧要关头,爱国学生不可能袖手旁观,都在苦苦思索报国之路。钱学森没有投笔从戎,而是寻求用自己的知识为国家、为抗战效力的道路。他认识到空中力量将是决定一国军事力量强弱的关键,而且政府和教育界正积极提倡发展航空。于是,他将国家需要和个人兴趣结合,利用富余时间研读航空科学,以求能为国防建设贡献绵薄之力。1934年,他考取庚款留美生。就在次年8月赴美前夕,同学亲友纷纷留言相赠,如“学森兄,祖国待君”;“森弟……,赴美以求深造,攻航空学。他日学成归来,于祖国防空政策自必有伟大之贡献”;“数年来屡闻人言森乃一不可限量者,此次因事来津相处数日,见君纯厚质朴,果一有为之青年,且不日即将出国深造,将来学成归国后于吾国航空事业自必有所建设也”等。这些饱含深情的赠言流露出祖国和同胞对他的殷切期待。总之,是社会思潮与国家需要将钱学森吸引到航空科学。

    2  交大的培养模式为钱学森奠定从事工程科学的基础

    个人兴趣与选择固然重要,不过专业方向的转换是需要一定的科学知识与学术思想作基础的。如果不具备这些基础,即使有美好的愿望,也是不可能实现的。那么,交大究竟给钱学森提供了什么样的科学训练,使其能够成功地转向航空科学呢?

    在1930年代,交大以“研究高深学术,养成交通建设人才为宗旨”,而机械工程学院“以造就各项机械工程专门人才,适应国内交通及实业等建设之需要为宗旨”。学院一、二、三年级不分专业,四年级分铁道机械、工业机械、自动机械组,其中的铁道机械组“注重铁道机务人才之训练如铁道设备机车计划车辆设计等。”在课程设置上,一年级多半为自然科学内容;二年级属工程学基本训练;三年级注重机械工程专业课程如热力工程、机械设计、热工试验、高级金工等;四年级铁道机械门注重铁道设备、机车计划、车辆设计等。课程内容强调“学理与手艺并进”,要求多做实验,多做实习参观,试验、实习和设计、计划课程约占全部课程的40%。这种课程模式是借鉴美国麻省理工等校经验的结果,一改此前国内工科院校热衷于传授工程实践知识,不重视基础理论和数学的作法,在当时属于一种先进的工程师培养方案。对此,钱学森说,他1935年秋到麻省理工学院航空工程系学习,发现“上海交大的课程安排全部师抄此校的,连实验课的实验内容也都是一样的。上海交大是把此校搬到中国来了!因此也可以说上海交大在当时的大学本科教学是世界先进水平的。”因为,“麻省理工学院的工科教育安排是本世纪初的模式,对培养一种成型的工程技术的工程师是有效的”。在具体的教学实践中,交大又贯彻了一种什么样的培养理念与培养模式呢?

 

    首先,自然科学课程的训练非常严格。当时,一些基础课程教授的学术思想很先进,顺应了科技与工业互动发展的潮流。其中,最有代表性的是科学学院院长、物理学教授裘维裕。他认为,大学的使命“不是教学生一种吃饭的本领,或者解决学生的出路问题”,而是“要养成学生一种健全的人格,训练一种相当的科学思想,有了这种训练,毕业以后,无论什么工作,就都可以担负,都可以胜任。”倘使工科大学毕业生具有正确思想的能力,他就能够随时随地获得各种需要的工程学识,倘使他没有发展他科学习惯的思想,无论他有多少工程知识与经验,他遇到实际问题,也无法解决。裘氏非常推崇美国一学者关于工科教育中数学的用途的观点,即数学在工程上的应用不仅限于用公式来做简便计算方法和应用数学观念来读工程科学里的基本公式,更重要的是利用数学来帮助发展思想的能力,“把数学做一种真确思想的工具,把基本物理原理来解决工程上的问题。”他主张,大学课程的修改,“要养成学生有科学习惯的思想。这种思想,可以用数学,物理及力学的基本原理解决各种问题来训练。”总之,在他们看来,纯粹科学是一切应用科学的基础与源泉,是学习任何工程的基础,基础科学功底宽厚,任何工程均不难学习。这些思想成为交大基础课程教学改革的指导方针。

    交大参考麻省理工等院校教学经验,结合我国实际,对基础科学课程作了重大调整。当时,在其它工科大学,高等数学、物理、化学等基础课一般只读一年,二年级就读其它课程,而在交大均为两年。裘维裕把普通物理原一学年的课程改为两学年,每周四节。并且把理论讲授和实验分开设课,加强了实验,实验也是两学年,每周三节,共安排了60个实验,各系科都相同,这在当时国内是仅有的。在交大普通物理课中,力、热、声、光、电各部分课时分量很重。二年级还开设应用力学和材料力学,这是对物理学中的力学和物性学用于工程上的部分作进一步的介绍和研究。交大之所以对物理要求特别高,因为他们认识到工程学本身是物理学在工业上的应用,物理学是工程技术基础的先驱。

    裘维裕、周铭等有名望、有学识的教授都亲临第一线担任理论讲授或指导实验。为了适应教学改革的需要,他们自编英文教材《大学物理纲要》(An Outline of College Physics)。在教学方法上,他们认为授课不是一种灌输工作,而是培养学生对知识、对学术、对真理的兴趣,“不仅仅要使学生理解基本上的知识,会做习题,记住公式”,而要学生“学会分析、综合、归纳、演绎、概括、判断、推理和论证等科学逻辑思维能力,扩大自己的思想认识领域,培养独立思考能力,亦即举一反三,触类旁通,手脑并用,能够解决新的实际问题”。由此,要求学生在平时多做练习,认真做好实验,养成良好的习惯。一年级学生,“通过裘维裕先生物理课的循循善诱和严格要求,培养了理工科知识的自学能力和独立思考能力,出现了‘初登知识殿堂’的良好感觉,从而使学习后继专业基础课和专业课更加自觉和努力。”裘维裕的授课还富有想象力,密切联系高等数学的应用,使同学们惊奇地发现高等数学并不是纸上谈兵,而是一种能解决科技问题的锐利武器,大开了眼界。在物理实验方面也有突出的特点,周铭教授设计的物理实验,数目多,要求严,重视实际操作。另外,数学课程微分方程“专授各种最普遍之常微分方程与偏微分方程式,而尤侧重于物理与工程方面之应用”。在教学上,也是既重视基础理论又重视结合工程学科的应用。这些严谨而灵活的教学方式在钱学森身上得到了恰如其分的体现,使得冯·卡门也对他的数学、物理能力赞叹不已,他说:“他跟我一起研究一些数学问题。我发觉他想象力非常丰富,既富有数学才华,又具备将自然现象化为物理模型的高超能力,并且能把两者有效地结合起来。他还是个年青学生时,已经在不少艰深的命题上协助我廓清了一些概念。我感到这种天资是少见的”。

    其次,在专业基础课程方面,以钟兆琳、陈石英教授的教学最具代表性。他们认为,向学生传授思想方法比具体讲授机器的设计与制造更重要,反对单纯凭经验搞工程技术,而是教会学生行之有效的技术原则。陈石英教授热力工程、机械工程实验。热力工程讲授汽体及蒸汽热力学,各种实用循环及对于汽压机、制冰机、内燃机、蒸气机、汽轮机的应用,蒸汽表及蒸汽图的用法,热动机的实际情况,马达的各种损失及其减缩损失寻常所用的方法等。在试验技术和实践环节上,机械学院各专业的学生要读两年的机械工程实验,由陈石英教授开出相应的60多个试验。他对学生做实验要求严格,“带领学生做性能试验时,往往一次四个小时还不够,他仍坚守岗位,一直要等到按规定符合所有要求和所得数据齐全、合理,方准下课,不许改期补做。对实验报告也有规定”。这些实践环节,“紧张认真程度,并不亚于课堂的理论学习及随后的严格考试。”钱学森的一份热机试验报告,长达百页,内容完善,且具创见,获得满分100分,一直传为佳话。电机工程钟兆琳教授以循循善诱、形象生动、引人入胜的启发式教学方法,对基础理论和课程要点反复阐明,化难为易,把学生自然地导入境界,深受学生欢迎。正如他的学生所说,“他先把一个基本概念(特别是较难理解的概念)不厌其烦地详细而反复地讲清楚,当同学们确实理解后,他才提纲挈领地对书本上其它内容作简要的指导,随即布置大家去自学。令人信服的是,每当先弄清基本概念后再去消化书本上的知识,会发觉既清楚又易懂,而且领会深,记得牢”,经过融汇贯通,便可以触类旁通。他还重视理论与实践的结合,主张把教育和生产实际紧密结合起来,把科学和教育的发展作为工业发展的前导,并实行双向互动[12]。对于这两位教授的教学方法,钱学森回忆说:“专业基础课中给我教育最深的是陈石英先生,他讲工程热力学严肃认真而又结合实际,对我们这些未来工程师是一堂深刻的课。电机工程的钟兆琳先生对我的教育,我也是十分感谢的,师恩永志于心!”两位教授重视培养学生的理论根底,注意把严密的科学理论与工程实际结合起来的方法,使钱学森领会了理论必须为工程技术服务的原则。此外,钱学森还在教授的指导下学习做研究,培养了独立分析问题和解决问题的能力。

    钱学森在交大受到名师的熏陶和指点,获得了从事工程科学所必备的知识与思想基础,使得转学航空乃至火箭等航天科学有了可能。

    3  交大的专业训练与钱学森的刻苦自学为其奠定转行航空的知识与能力

    钱学森在交大求学期间交大还没有航空专业,交大1935年才在机械学院四年级自动机械组设立飞机组,1942年才正式成立航空系。但这并不能证明,钱学森在交大未受过航空科学方面的训练。因为,航空学本属于机械工程学的一个专门领域,它的基本知识与机械工程学大多是相通的,早期航空专业多从机械工程学中产生,如国内在航空教学与研究方面走在最前列的澳门赌场平台便是如此。1934年澳门赌场平台在机械工程系设立“航空讲座”,在四年级添设航空工程组。1935年冬聘请美国华顿德博士担任航空讲座,同时筹备航空研究事业。该系“一年级课程,半属自然科学。二年级课程,系工程学基本训练。三年级注重机械工程学普通科学”,四年级航空工程组,“注重飞机之制造,于发动机之装卸、试验及比较等,均施与充分之训练。”

    笔者对照交大机械学院与清华机械系的课程设置,交大数学、物理、化学课程的份量比清华重,物理、化学交大有两年,清华仅一年,数学交大有两年,清华只有一年半。在专业课程上,二者相近。也就是说,学习铁道机械工程的钱学森与清华航空工程专业的学生,前三年所受的训练大体相同,但自然科学的训练更为宽厚。在四年级,钱学森所读课程与清华航空组差别较大。不过,学习航空工程所必备的专业基础课程钱学森均已修习过,且成绩优异。清华航空组开设的课程有理论空气力学、飞机工程、飞机机架设计、飞机原动机设计、飞机机架实验、热工试验、飞机结构学、航空工程实验、螺旋桨、内燃机实验等。仔细核对钱学森的成绩表,除航空工程、热工实验、内燃机实验科目外,其余课程钱学森均未在交大修习过。不过,理论空气力学的先修课程“水力学”、“材料力学”,飞机工程、飞机机架设计、飞机原动机设计的先修课程“内燃机”、飞机机架试验的先修课程“热工实验”,飞机结构学先修课程“材料力学”等,钱学森均在交大学习过,甚至如“水力学”、“内燃机”、“热力工程”等课程与清华使用同样的外文教材。可以说,钱学森在交大受到的专业训练为转学航空准备了扎实的基础。另外,据1956年2月27日钱学森在北京航空学院的报告。他说,20年前,“在我的母校——上海交通大学——只有在机械工程系里有一门航空工程的课,记得那班中不过10多个学生。”实际上,1931年下半年交大机械学院就开设了航空工程课程,由外籍教师H. E.Wessman讲授。钱学森在四年级选修了航空工程,两学期平均成绩为90,列选修该课程的14人之首,这是他在交大受过航空科学训练的有力证据。

    钱学森在交大刻苦攻读,成绩出众。1932年平均成绩为90.44,名列前茅。1934年各科平均成绩最优,毕业时总平均成绩89.10,名列学院第一,为此黎照寰校长发给他奖状,表彰他“潜心研攻,学有专长,特授奖状,以资鼓励”。他还善于自学,曾教授过钱学森水力学的金悫教授说:“他接受能力强,反应快!”“总是在图书馆里钻研、攻读,掌握了课堂上没讲过的知识,他深懂学海无涯,攫取知识务求渊博。”更重要的是,他重点专攻航空科学。1957年,钱学森的大学同学王建绪在致钱学森信中说,当有人问起他钱学森何以取得如此之大的成就时,他说:“据我所知,他在学校时代,课外时间已专攻航空工业了,他不但聪明,而且术业有专攻,再加钻研和有恒劲,可能是他成功的秘密罢。”另据钱学森自己回忆,他在交大,“对图书,特别是科技书,那真是如饥似渴,什幺科目的书都看。我是学机械工程的,常去找有关内燃机的书,特别是讲狄塞尔(Diesel)发动机的书来读,因为它热效高。后来我的专业是铁道机械工程,四年级的毕业设计是蒸汽机车。但是到图书馆借读的书绝不限于此,讲飞艇、飞机和航空理论的书都读,讲美国火箭创始人戈达德(R.Goddard)的书也借来看。我记得还借过一本英国格洛尔(H.Glauert)写的专讲飞机机翼气动力学的书来读,当时虽没有完全读懂,但总算入了气动力学理论的门,这是我后来从事的一个主要专业”。格格尔的书即空气动力学名著The Elements of Aerofoil and Airscrew Theory(《机翼与螺旋桨原理基础》),该书1926年出版,后来多次重印、再版。它以浅显的方式向还不具备水力学知识的读者介绍机翼与螺旋桨原理,前5章简要介绍学习机翼理论所必备的水力学知识,6至14章讨论在二维空间上翼面的升力、空气粘性作用及其对翼面的影响、有限跨度翼面原理,最后3章讨论螺旋桨原理。正是这本著名的入门书将钱学森引入空气动力学的门槛。

    综上所述,钱学森在交大受到的训练及其个人刻苦自学,使他具备从事航空研究的知识、能力和思想基础,选择航空自然水到渠成,而非好高骛远。1934年,他顺利通过庚款留美航空工程专业的考试,专门科目成绩分别为:微积分及微分方程41,应用力学与材料力学63,热工学64,航空工程87,机械原理及机械设计63,研究及服务成绩13,总平均分59.10分。

踏上航空与火箭技术研究之路

    钱学森虽然在交大就苦攻航空,那么是否可以断定这两篇文章完成于交大呢?有人推测“气船”一文是他的毕业论文,但缺乏确凿的实据。不过,1935年1月14日交大机械学院胡端行院长在致钱学森的信中说:“去年足下曾有美国飞船……研究一文,兹拟登入季刊,便乞检寄是盼。”“气船”一文所讨论的飞艇大都以美国飞艇为例,信中提及的论文可能就是“气船”一文,所以“气船”一文在1934年底之前就应已杀青。由此亦可知,“气船”一文发表的时间与他毕业时间仅有半年之隔,要在半年内完成这篇体大思精的论文,是不可想象的,他应该在毕业之前就已着手构思此文。另据澳门赌场平台留学生规则规定,公费生录取后,须“留国半年至一年,作研究调查或实习工作,以求获得充分准备,并明了国家之需要”。依照此规定,钱学森在清华王助、王士卓的指导下在机场实习,航空理论知识与实践经验迅速增加,对飞机有了更深刻的认识。他说:“一九三四年夏我报考清华公费留美,改行了,要学航空工程。录取后,在国内杭州笕桥及南昌的飞机工厂见习了几个月,算是入门。”自然的,他会修正自己的观点,不会继续坚持飞艇优于飞机。因此,钱学森在交大就已完成“气船”一文。

    “火箭”一文虽迟至1935年7月才发表,但他在交大就有了研究兴趣和思想萌芽。火箭是人们从幻想开始的,起初的研究者大多为业余爱好者。1926年,戈达德以在马萨诸塞州成功地发射第一枚液体火箭而闻名于世。但此时的火箭研究采取的是实际试探法,缺乏科学理论支持。到了1930年代中期,“火箭在人们心目中是不现实的玩艺儿,甚至在科学上也毫无价值”。科学界也认为火箭“不过是一种科学幻想而已。由于火箭发动机性能试验结果和实际空间飞行的要求相去太远”,“根本无法引起科学界人士的重视。”此时,钱学森在科学落后、信息匮乏的中国社会涉足火箭领域,展现出对新兴领域的好奇心与探索欲望。“火箭”一文还充满创造力和想象力,闪耀着智慧的火花,反映他将人生的兴趣融化在知识探索之中,为赴美着手火箭研究种下了思想与兴趣的种子。钱学森还具有出色的音乐才华,在出国前发表过一篇名为“音乐和音乐的内容”的文章。这才有了到加州理工的第二年,钱学森认识了热心研究火箭的F.马林纳,共同享有火箭、音乐和政治兴趣,并结成良友,共同走上了火箭研究之路。后来,他们都成长为世界航天界的翘楚。这是后话。

   (作者为上海交通大学校史博物馆馆长,科学史与科学文化研究院、钱学森研究中心兼职研究员。)

   (转自微信三思派)