钱学森在世界反法西斯战争时期的科学成就与贡献
今年是中国人民抗日战争暨世界反法西斯战争胜利70周年。在这场旷日持久、灾难深重的世界性战争面前，身处异域他乡的钱学森，怀着对科学真理的不懈追求与竭力探索，以及对人类正义的坚定捍卫，以自己的聪明才智和满腔心血，从一位爱国青年学子成长为著名空气动力学家和应用力学家，在诸多科技领域取得了令世人瞩目的开创性成就，为现代航空航天科技发展和盟军技术水平与战斗力的提升，为世界反法西斯战争胜利及人类和平与进步事业作出了引人注目的科学贡献。
立志航空救国，负笈大洋彼岸
1929年，钱学森从北师大附中毕业后，怀着振兴祖国的坚定决心和交通救国的远大理想，以优异成绩考入交通大学。在校期间，1931年，日本法西斯精心策划九一八事变。中国军民奋起反抗，打响了世界反法西斯局部战争第一枪。1932年，一二八事变爆发。日本凭借飞机数量和性能上的优势掌握了制空权，对上海狂轰滥炸，中国人民的生命财产遭受严重损失，中华民族处在生死存亡的危急关头。钱学森耳闻目睹，痛感中国航空工业的落后及航空技术对国家安全的重要性，痛感中国必须拥有强大的航空工业，才能自立于世界民族之林。为此，他决意为航空救国贡献自己的力量，毅然将人生志向从交通救国转向航空救国，并在大学期间密切关注航空技术的发展，选修了航空方面的课程，并撰写、发表了多篇相关论文。
1934年，钱学森从交通大学毕业后，考取清华大学留美公费生，专业为飞机设计。1934年至1935年，钱学森按清华大学的规定先后到杭州、南昌、南京、上海等地的飞机制造厂和修理厂见习。清华大学指定我国航空事业的两位先驱王助、王士倬为钱学森的导师。两位导师理论与实践相结合的学术理念对钱学森影响至深。1935年8月，钱学森怀着航空救国的远大理想，从上海黄浦江码头登上“杰克逊总统”号邮轮，赴美深造。出国前夕，亲朋好友纷纷寄语留念，寄托美好祝愿和期望。钱学森的表哥章镜秋在留言本上写道：“他日学成归来，于祖国防空政策自必有伟大之贡献。”临行前，钱学森说道：“现在中国政局混乱，豺狼当道，我到美国去学技术是暂时的，学成之后，一定回来为祖国效力。”
1935年9月，钱学森进入美国麻省理工学院，攻读航空工程。次年9月，钱学森从麻省理工学院毕业后，进入加州理工学院航空系，在世界著名力学大师冯·卡门教授指导下，从事航空理论和应用力学的学习研究。
留美期间，钱学森一直心系祖国航空事业的发展。1938年6月7日，他就延长公费留学期限一事致函清华大学校长办公处，表达了日后学成归来报效祖国的迫切愿望：“如能在冯·卡门教授门下再有一年之陶冶，则学生之学问能力必能达完善之境，将来归国效力必多。”
探索科学前沿，攻克学术高地
二战爆发前后，钱学森经过不懈探索，取得了非凡的学术成就，解决了空气压缩效应、热障、薄壳失稳等当时航空界面临的难题，为高速空气动力学作出了重要贡献，也为日后回到祖国奠定了坚实的学术基础。
二战前夕，随着现代科技的发展和军事竞争的推动，制空权理论引起现代军事技术和军事工业的革命性变化，航空界开始由低速飞行向高速飞行发展。但受当时技术条件制约，需要解决众多极具挑战性的科学问题。飞机在接近音速飞行的过程中，由于空气可压缩性产生的累积压力引起飞机尾翼蒙布皱折，导致机身强烈震动并失去平衡，严重时曾多次发生机毁人亡事故。当时航空学界迫在眉睫的难题之一是如何改进飞机外形设计以消除空气压缩效应对高速飞行的影响。
1939年，钱学森在导师冯·卡门教授指导下，经过深入细致的研究，提出计算飞机翼面压力分布的空气压缩作用修正理论公式“卡门-钱近似”，其理论成果是他于1939年在美国《航空科学》杂志发表的《可压缩流体的二维亚声速流动》一文。这一公式的发表使他一跃成为世界著名的空气动力学家。在二战期间以及战后相当长的一段时间内，在现代计算手段（电子计算机）出现以前，这一近似计算方法通过大量亚音速风洞实验，直到最大局部速度达到临界马赫数，鉴定结果相当准确，被广泛应用于飞机翼型的设计，在当时直接对飞机的设计起了重要作用。美国航空航天领域资深科学家弗兰克·马勃教授认为，在快速、经济的数值计算方法出现之前，“卡门-钱可压缩性修正”一直是最准确的计算公式。
20世纪30年代，航空技术取得显著进展，随着战争对军用飞机速度要求的不断提高，全金属应力蒙皮结构和大推力发动机成为飞机研制的主流技术。全金属结构具有重量轻而强度高的优点，但当其受到的载荷超过某一数值时，壳体会发生皱瘪而失效，这种现象称为屈曲。如果采用经典的线性理论计算，发生屈曲的临界载荷值比实验值要大许多。飞机设计师需要精确地计算出发生这种现象时壳体的具体载荷，但经典的薄壳理论却不能提供有价值的指导，在理论和实验之间存在一个不为人知的大误差，这使工程师陷入没有理论可循的困惑境地。如何解决带曲率薄壳结构的稳定性，即薄壳失稳问题成为困扰航空学界多年的一个不解之谜。
钱学森在系统分析前人的理论和实验工作之后，从1939年开始着手解决薄壳失稳问题。1940年，他与冯·卡门发表《球壳在外压屈曲》论文，提出计算屈曲临界载荷的能量跃变准则，从理论上解决了临界载荷矛盾和受压球壳屈曲失效这一航空界久攻不克的难题。这一重大学术成果不仅在理论上对当时的力学界和航空界产生了很大的影响，而且在实践上为多家飞机公司设计部门所采用。专家们普遍认为，钱学森关于屈曲临界载荷的计算结果接近实验值的临界判断，这一理论很快被学术界和工程界所接受;这篇论文堪称20世纪板壳非线性力学的开创性论文。
第二年，钱学森与冯·卡门发表《圆柱壳在轴压下的屈曲》论文，准确推导出圆柱壳屈曲的临界载荷的特征方程。著名空气动力学家、中国工程院院士庄逢甘指出，钱学森关于屈曲临界载荷的研究成果与实验符合得很好，很快为飞机公司所引用;这些成果不仅在学术上有很大影响，而且在实践上为多家飞机公司的设计部门所采用。
参加火箭研究，助推短距起飞
二战前夕，钱学森以巨大的勇气和科学远见，参加了被称为“自杀俱乐部”的加州理工学院火箭研究小组，为战争期间美国火箭助推起飞技术的发展、扭转太平洋战争战略格局奠定了坚实的理论与实践基础。1936年2月，马里纳、帕森斯和福尔曼三位加州理工学院学生成立加州理工学院火箭研究小组。1937年，钱学森加入该小组，负责研究燃烧室、喷气推力和火箭性能的理论问题。
在参加火箭研究小组期间，钱学森做了大量理论研究工作。1937年5月，钱学森完成《火箭发动机喷管扩散角对推力影响的计算》一文。同年5月，他还向火箭小组提交了一份研究报告，具体描绘出一个燃烧室和废气喷嘴大小都固定的理想火箭的理论模型。不久，该报告被收入火箭研究小组的论文集。该论文集被小组成员视为“圣经”，成为他们研究火箭研究和计算的重要基础。1937年6月至9月，钱学森做了有关火箭研究文献资料的调查研究，并在自己的博士论文中，通过探讨和论证以逐次推进的固体火药作为推进剂，进行多次快速燃烧排气而获得脉冲式推力的火箭发动机燃烧方案，从理论上证明探空火箭可以达到10万英尺的飞行高度。
火箭研究小组卓有成效的开创性工作引起美国科学界的广泛关注。1939年1月，美国国家科学院接受冯·卡门的建议，决定在加州理工学院设立火箭研究中心，以解决火箭助推飞机起飞问题，并划拨1000美金研究经费予以支持。火箭研究小组的命运由此预示着即将掀开新的篇章。
加州理工学院是美国最早开展火箭技术研究的机构之一。在二战时期，该校的喷气推进实验室已发展成为美国火箭导弹技术的一个重要研发中心。战争期间，钱学森参加了由美国军方资助的加州理工学院火箭助推起飞装置研究计划及其他军工项目，为喷气推进技术和高速空气动力学的发展作出了重大贡献。
由于冯·卡门的推荐，火箭研究工作开始得到美国航空工业界、陆军航空兵和政府的重视。1938年5月，美国陆军航空兵司令亨利·阿诺德上将访问加州理工学院古根海姆实验室时，对火箭研究给予特别关注。由于预见到世界大战不可避免，阿诺德要求加州理工学院研制火箭助推起飞装置，使美国军用飞机，特别是重型轰炸机能从航空母舰及太平洋小岛的短跑道上起飞。为此，阿诺德与加州理工学院签订了协议，并给予了经费资助。
1939年初，美国国家科学院拨款资助在加州理工学院设立火箭研究中心，工作重点是研制重型飞机的火箭助推起飞装置，而二战的爆发更使整个火箭计划出现了新局面，特别是在固体推进剂的研究方面。同年，火箭研究小组制订了美国陆军航空兵第一个火箭研究计划—“古根海姆1号”。1941年，该中心在阿罗约·塞科河谷建造了第一批实验室，并成功进行了美国首次喷气助推起飞和单纯以火箭为动力的有人驾驶飞机飞行试验。当年8月12日，一架执行本次飞行任务的飞机从加利福尼亚马奇机场顺利起飞。这是美国轰炸机第一次采用固体火箭动力装置起飞。据冯·卡门回忆，飞行试验结果远远超出最佳期望：本次试验表明，“喷气助推起飞能使跑道缩短一半，这意味着重型轰炸机能够在更短的跑道上起飞。”同年，美国国家科学院不仅继续向加州理工学院提供研究基金，还从1942年财政年度开始，将资助金额总数提高到12.5万美元。
1942年4月15日，冯·卡门、钱学森、马里纳等火箭研究小组成员在摩哈维沙漠中的慕洛克空军基地成功进行了道格拉斯A-20轰炸机火箭动力装置起飞试验，标志着美国第一个火箭助推起飞装置研制成功。这种重型轰炸机火箭助推起飞装置很快就在太平洋战争中被美国空军广泛应用。钱学森在其研究、设计过程中发挥了重要作用。面对法西斯的疯狂肆虐，马里纳高兴地说：“我们现在可有了真正管用的东西，应该可以把法西斯主义者们送到地狱里去了！”冯·卡门指出，A-20火箭助推起飞是美国轰炸机第一次采用固定的火箭动力装置起飞，标志着美国实际应用火箭的开始。
洛杉矶《帕萨迪纳星报》1950年1月的新年专版，对包括钱学森在内的该校科学家在二战时期的工作，尤其是喷气推进实验室的火箭研究给予了充分肯定。据该报报道，加州理工学院喷气推进实验室是美国当时唯一的此类实验室，在二战期间向美军提供了超过90%、总值约8000万美元的火箭武器装备。
为了成批量向美国军方产销火箭助推器，火箭研究小组于1942年创办了航空喷气公司，冯·卡门任总裁，钱学森任顾问。随着战争规模不断扩大，美国军方对加州理工学院火箭及相关研究成果的资助迅猛增长，公司大量生产装备航空母舰舰载战机的火箭助推器。钱学森在其中的研究、设计过程中发挥了重要作用。
1943年，钱学森与马里纳合作完成《长程火箭的评论和初步分析》研究报告，提出了三种火箭导弹的设计思想，为地地导弹和探空火箭研制奠定了理论基础。这是美国导弹计划的第一份正式记录，被誉为“美国导弹先驱”。同年12月20日，冯·卡门、钱学森和马里纳共同提出了一项被称为“JPL-1”的美国远程火箭导弹研究计划。作为这一计划的产物，1944年1月，美国陆军炮兵部向加州理工学院喷气推进实验室提出“炮兵部和加州理工学院联合计划”，请求加州理工学院喷气推进实验室尽快研制可以用于实战的导弹，并对导弹的性能提出了要求。同年，钱学森等火箭研究小组成员制订了研制带发射架的远程导弹计划。
冯·卡门在他的回忆录中高度评价了钱学森的科学成就：“钱作为加州理工学院火箭研究小组的元老，在第二次世界大战中为美国的火箭研制作出过重大贡献。”1946年2月13日，阿诺德上将在致钱学森的信中，表彰其在火箭和喷气推进等领域作出了“巨大而无可估量”的贡献。
从1940年起，因火箭研究计划被美国政府列为高度军事机密，钱学森作为侨民无法获得参与资格，被迫退出火箭研究小组。直到珍珠港事件发生后，因中美战略联盟的需要才获准钱学森参与美国机密研究计划。1942年12月1日，钱学森获得了安全认可证，获准参加涉及军事机密的工作。此前，钱学森于1940年为冯·卡门主持建造的加州理工学院一个弹道试验用超声速风洞完成了设计方案论证和分析计算，并为此撰写了《弹道试验用超声速风洞的设计》论证报告。
钱学森获得参与美国涉及军事机密研究项目的资格后，陆续承接了美国军方的多项研究任务，并向其提交了一系列研究报告：1943年，钱学森先后完成了一项关于高速飞行时XSC2D整流罩上方压力分布的研究，一份关于使用喷气机所产生的喷射力作为启动液态推进泵能量来源的报告以及一份关于向固体推进剂中添加金属固体以改善性能的可行性报告;1944年，他先后提出讨论压缩机或涡轮机中叶片变形所带来的影响的报告，并为喷气推进实验室完成了一份关于平坦表面与高速气流间热转换的论文。当年，钱学森还向美国陆军航空兵提供了《远程火箭的飞行特性》的内部报告，对远程火箭的技术要求等进行了分析计算，并且提供了两个实际算例。
指导飞机研制，培训盟军军官
作为一名应用力学家，钱学森一直以理论分析和计算论证见长。太平洋战争爆发后，他不但时刻关注祖国航空事业的发展，与国内航空界保持密切联系，还一度深入洛杉矶地区的航空企业，发现并解决飞机设计与生产过程中遇到的应用力学问题。这些飞机制造公司在二战期间研发生产的先进战机，为盟军战胜法西斯、赢得战争胜利发挥了巨大作用。
1941年12月7日，日本海军航空母舰舰载飞机和微型潜艇对美国在太平洋的海军基地珍珠港以及美国陆军和海军在夏威夷欧胡岛上的飞机场发动突然袭击，美国太平洋舰队损失惨重。12月8日，美国总统罗斯福签署对日宣战声明;当日，美国国会通过正式对日本宣战的决议，太平洋战争爆发。
二战时期，美国的航空工业生产能力迅猛发展，航空从业人员由1939年的4.8万人猛增到1943年的200万人。飞机产能迅速提高，每年产量达到5万架，战争期间生产的各种飞机总计20.44万架。以洛杉矶为中心的南加州是美国航空工业最发达的地区之一，整个20世纪40年代，该地航空业迅速发展，从事飞机制造的工人人数从1939年的1.33万人猛增至1941年的11.3万人;为美国政府制造的飞机达10万多架;飞机制造业为整个城市提供了40%以上的就业机会，被称为“奇迹10年”。道格拉斯、洛克希德等著名飞机制造公司都集中在这一地区，生产了众多代表当时美国乃至世界航空工业最高水平的先进战机。例如，道格拉斯公司在二战时期生产的SBD“无畏”式俯冲轰炸机在珊瑚海海战和中途岛海战中重创日本舰队，先后击沉日本四艘航空母舰，为打破日本航空母舰的绝对优势，扭转太平洋战场乃至第二次世界大战整体战略态势立下了赫赫战功。
1941年，时为密歇根大学工学院航空系研究员的周明鸂受冯·卡门邀请，参加加州理工学院古根海姆航空实验室研究工作，并经常与钱学森一起探讨学术问题。珍珠港事件发生后，周明鸂于1942年到道格拉斯飞机制造公司工作，任高级工程师。在此期间，钱学森曾一度去道格拉斯公司，与他一起研究解决飞机设计中遇到的力学问题，从而间接地参加了中美共同抗日的行列。
培训盟军军官，提高指挥能力。二战后期，钱学森除了参加美国军方的保密项目外，还为美国政府选派至加州理工学院攻读航空学硕士学位的空军和海军军官讲授课程，并亲自编写教材，为战时培养美军第一批火箭和喷气推进领域军事技术干部，提高盟军军事指挥能力作出了很大贡献。
为了强化军队的技术知识，美国军方于战争后期开始遴选一批军官到加州理工学院学习。陆军航空兵空军技术后勤司令部要求加州理工学院为1943至1944学年派往该学院的一批军官提供火箭与喷气推进方面的研究生课程。冯·卡门和他的加州理工学院古根海姆实验室和喷气推进实验室的同事制定了课程。1944年，钱学森受聘主讲《工程数学原理》和《喷气推进理论》两门课程，并组织、编辑了内容丰富的教材《喷气推进》，全面论述喷气推进的基本原理和喷气推进飞行器的性能。这是美国第一部全面系统论述喷气推进基本原理和火箭性能与科技的专著，成为以后十几年间不可或缺的参考书。
美国专栏作家米尔顿·维奥斯特对钱学森的科学成就给予了高度评价：“在第二次世界大战期间，在钱的帮助下，大大落后于德国的非常原始的美国火箭事业过渡到相当成熟的阶段。他对建造美国第一批导弹起过关键性作用。”“钱一直被公认为世界上航空科学领域最具独创见解的学者之一……他是冯·卡门雄心壮志与事业的继承者……是帮助美国成为世界第一流军事强国的科学家银河中一颗明亮的星。”
随团赴欧考察，科学捍卫和平
1944年12月1日，美国国防部科学咨询团成立，冯·卡门任团长。咨询团的任务是评价航空研究和发展的趋势，为美国国防部准备有关科学技术事务的特别报告。由于钱学森为美国火箭研制作出过重大贡献，“他的研究工作大大推动了高速空气动力学和喷气推进技术的发展”。于是，冯·卡门推荐他为咨询团成员。1944年底，钱学森辞去加州理工学院各项职务，赴华盛顿参加美国国防部科学咨询团的工作。佩戴国防部科学咨询团成员身份证及出入证的钱学森得以进入美国军事科学与国防科研最高智囊机构。
1945年3月，德军在欧洲战场全面崩溃，盟军胜利在望。同年4月底，钱学森以美军上校身份，身着美军制服，随冯·卡门率领的国防部科学咨询团一行36人，赴欧洲考察德、英、法等国在航空和火箭领域的研究情况，重点是考察德国的高速空气动力学研究、脉冲喷气发动机和涡轮喷气发动机的发展以及火箭与导弹的技术情况。钱学森一行先在德国萨克森州东部小城不伦瑞克考察。战争期间有上千名德国科学家曾在该地的戈林空气动力学研究所从事火箭研究工作。
5月5日，钱学森在慕尼黑附近的小镇科赫见到了德国火箭研究最高权威冯·布劳恩。应钱学森要求，冯·布劳恩写出《德国液态推进火箭的发展与未来展望》的书面报告。这份报告受到了美国军方的重视。此后，钱学森与冯·卡门在哥廷恩会见了冯·卡门的导师、近代流体力学奠基人、德国火箭研究工作的主要领导者、被誉为“空气动力学之父”的普朗特，了解到德国火箭研究的技术问题及进展情况。此外，钱学森还询问了研究V-2火箭的著名理论家赫尔曼·奥伯特等人，并视察了美军发现的德国布伦茨威格秘密实验室和诺德豪森V-2火箭工厂，查阅了德国火箭和空气动力学的秘密研究报告，对德国导弹研制计划进行了深入细致的了解。
钱学森在德国考察期间，于5月17日至21日写出了一系列反映战时德国在飞机、火箭、炸弹等领域发展状况的调研报告。包括《箭形机翼》《火箭》《超声速气体动力学》《冲压发动机》《脉冲式空气喷气发动机》《液体炸药炸弹》《飞机上的喷气涡轮发动机的安装》等。
经过长达数年血与火的洗礼，第二次世界大战以同盟国的全面胜利告终。1945年5月7日，德国无条件投降仪式在柏林举行，标志着第二次世界大战欧洲战争的结束。8月15日，日本天皇正式宣布接受《波茨坦公告》，无条件投降。9月2日，日本签署无条件投降书。中国抗日战争是世界反法西斯战争的重要组成部分。经过十四年浴血奋战，中国人民终于取得了抗日战争的伟大胜利，对世界反法西斯战争的胜利作出了重大贡献。9月9日，中国战区受降仪式在南京举行。
毅然回归祖国，谱写科学新篇
钱学森在世界反法西斯战争时期取得了科学上的巨大成就，为这场战争的胜利作出了独特的贡献。然而，由于国际政治风云变幻，冷战随之而来及美国麦卡锡主义盛行，钱学森被无情地卷入了资本主义意识形态偏见的政治漩涡之中，在回国的道路上遭遇了漫长的不公平对待。从1950年到1955年，钱学森为争取回国身陷囹圄、备受屈辱，遭受了漫长的身心迫害。在此期间，他怀着对科学的无限执着和报效祖国的坚定信念，转向并潜心从事工程控制论、物理力学等前沿领域的研究。1954年，钱学森出版自动化领域划时代著作《工程控制论》并赠与自己的恩师兼学术上的亲密合作者冯·卡门。冯·卡门看后百感交集，千言万语化作一句话：“你在学术上已经超过了我。”
回忆争取回国这段艰难的经历，钱学森曾说道：“我实际上是被美国当局驱逐出境，押送回国的。这一段历史我绝不会忘记。它使我深深懂得了什么叫帝国主义。我也领教了美国的民主和自由，深知美国的民主是什么样子。”“我是中国人，根本不打算在美国住一辈子。”
经过不懈抗争，在党和政府的亲切关怀和帮助下，1955年9月17日，钱学森终于冲破重重阻力，踏上了回归祖国的航程。钱学森回国后，作为技术负责人，在领导我国火箭、导弹和航天事业的历程中，用自己的赤子深情和卓越才智，谱写了崭新的科学篇章，为中国航天事业和国防现代化建设，为中华民族屹立于世界民族之林作出了巨大的贡献。
今年适逢钱学森回国60周年。作为一位科学家，能将自己的命运与国家的命运如此紧密地联系在一起，这是钱学森个人的幸运，也是他的祖国的幸运。（编辑 杨 琳 王 雪）
（作者是上海交通大学钱学森图书馆馆员）