工程科學與科技強國

文 杜善義

工程科學是基礎科學與工程的橋梁

工程科學不是新名詞，早在19世紀末20世紀初已經形成并有其深刻內涵。

20世紀初，以克萊因、普朗特為代表的科學家提出了數學、力學等要面向應用解決工程問題。在力學方面形成應用力學派，普朗特的學生馮·卡門、鐵木辛柯等力學家繼承應用力學派思想，而馮·卡門的學生錢學森先生對此有所發展，明確提出工程科學（也有人稱之為技術科學）思想。

自然科學重在“探索”與“發現”自然界已經存在的事物，并在此基礎上形成基礎知識體系。工程則是構建自然界不存在的事物，前者屬于認識自然，而后者則是利用與改造自然。

然而，自然科學形成的知識體系并不能直接應用在工程科學中，這就產生一個如何用知識達到構建事物的問題，從而需要有一個橋梁，這個橋梁就是工程科學。

工程科學的任務是要將自然科學應用在工程中，解決工程中提出的新理論及方法、技術問題。因此，按照錢學森先生的說法——工程科學是自然科學與工程的橋梁，工程科學范圍很廣，如應用數學、力學、電工學、材料學、建筑學、水力學、電子信息學、熱能核能學、化工學、儀器儀表學等都應屬于工程科學范疇。

早在15世紀，意大利天才科學家與藝術家達·芬奇就指出：理論脫離實踐是最大的不幸，實踐應以好的理論為基礎，這實際上即是工程科學理念。這樣看來，從事工程科學的科技工作者就是一支龐大隊伍。

1947年錢學森回國探親，分別在清華大學、上海交通大學、浙江大學做報告，講的內容主要是工程科學。

他指出，工程科學家的任務有3個方面：工程方案的可行性怎么樣；如可行，實現這個方案的途徑是什么；如失敗，原因是什么，如何補救。并在報告中明確提出：為使純科學家與從事實用工作的工程師密切合作，將產生一個新的職業——工程科學研究者或工程科學家。

工程科學在解決工程中理論與技術問題的作用

工程目標的構建重在集成，但并非要把科學家形成的知識體系直接照搬即用，在工程目標實現中仍會有一些理論、關鍵技術、方法、試驗等問題需解決，工程中關鍵、短板問題的解決要靠工程科學家創造性運用最新自然科學成果及所具有的工程經驗，使工程目標得以實現，這是工程科學的任務與作用。

工程科學作為純科學與工程的橋梁，在整個工程目標的實現中不僅要有技術創新，同時也有理論或知識創新。

不同領域不同工程，雖目標大小、復雜程度和層次有差別，但是任何一個工程目標都是一個系統，涉及多領域多學科，所以工程科學要解決工程問題需體現系統科學與工程思想及多學科的交叉與融合。

錢學森先生在20世紀70年代通過航天實踐提出的系統工程理論的思想，也是工程科學任務的應用與實踐。

可以用幾個例子進行說明：

第一個例子是固體火箭發動機。過去固體火箭發動機的燃燒室是由高強鋼做成的壓力容器，會出現打壓試驗時的低應力爆破，這是一個簡單工程裝備問題，產生問題的原因是焊接時出現的裂紋，解決這個問題，涉及力學理論、材料與焊接工藝3個方面：

首先要用力學分支斷裂力學（考慮結構有缺陷）分析原因。

其次是材料問題：這種低應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度的同時重視其韌性，即材料抗裂紋擴展的能力。對于金屬材料來說，強度與韌性有矛盾，必須研制一種強度與韌性均滿足要求的新鋼材。

最后是焊接工藝問題，采用新工藝，避免焊接裂紋出現。在工程實踐中通過力學（設計）、材料與工藝交叉結合，解決了這個低應力爆破問題。

第二個例子是工程裝備的結構效率問題。對任何一個工程裝備，尤其是空天飛行器，在保證安全性前提下，提高結構效率或結構輕量化是永恒的主題。

1961年，錢學森先生在給中國科學技術大學力學系學生講授“星際航行概論課”時有一句名言是“航天器一個零件減少一克重量都是貢獻”。輕量化是在給定的技術邊界條件下，實現所需功能的系統最小質量化，并且確保整個產品生命周期內系統的可靠性。

解決這個工程問題要從設計、制造與材料3個工程科學因素方面綜合考慮才能實現，設計是關鍵，先進制造是保證，而高比性能材料則是物質基礎。碳纖維增強的樹脂基復合材料應是首選材料，航天器材料已實現復合材料化，航空器正在努力實現結構復合材料化。

這正是工程科學的研究內容，要研究先進復合材料在航空航天器能用、會用、用好，這需解決設計、力學、材料、制造等工程科學問題才能實現結構復合化，進而達到結構輕量化，從而提高結構效率。

第三個例子是高超聲速飛行問題。這是人類對時空運用的顛覆性技術。世界各科技大國均在進行研究，從高超聲速的科學理論到工程實現，這中間有許多屬于工程科學的問題要解決。

高超聲速飛行是在20～100km的臨近空間飛行，這個飛行環境與空中及太空環境有區別，必須解決一些新的理論與技術問題，如高速空氣動力學、先進推進理論與技術、自主控制理論與方法和面對高超聲速飛行引起的新熱障下的防護材料結構等問題。

每個科學和技術問題都具有挑戰性，這里僅以新熱障問題為例，高超聲速帶來熱障問題與傳統熱障問題不同，后者主要是鋁合金等金屬材料，在飛行速度達三個馬赫數左右時，飛行器表面溫度達300℃左右，金屬材料在此溫度下力學性能大幅度下降，要解決的是在這種溫度下的材料與結構問題。

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，甚至還要重復利用。這中間熱環境，熱防護材料與結構，熱響應以及熱模擬試驗等一系列問題，涉及力學、熱學、化學以及電磁學等學科交叉問題。

上述3個例子所解決的理論、方法及技術等問題，具有一定普適性，這也充分體現工程科學在工程中的重要應用。

工程科學是科技強國建設的重要抓手

目前，要更加重視工程科學的運用與工程科學家的培養，這是科技強國建設的重要抓手。

根據聯合國教科文組織一項調查表明：人類知識更新速度不斷加快，18世紀時更新速度為80～90年、19世紀初為30年，20世紀60年代為5～10年、20世紀80至90年代為5年，進入本世紀只有2～3年。

快速出現的新理論、新方法與新技術屬工程科學范疇，只有重視工程科學，才能使科技發展跟得上。建設科技強國是我們的科技夢，對于高科技含量的工程裝備特別重要。

過去主要是解決有無問題，是跟跑，很少領域達到并跑；至于領跑僅是極個別領域；許多領域以數量論均是第一，但大而不強。

重視工程科學，以實現關鍵核心技術自主可控，并通過創新產生新的理論、方法和前沿技術，甚至顛覆性技術，使中國在重要的工程領域達到并跑與領跑的水平，這是科技強國的重要標志。

科技強國建設，人才是關鍵，從事工程科學研究的科技隊伍，應提高科學理念與工程意識，重視工程需求，用科學（基礎科學）所形成的知識體系，通過創新解決工程中所提出的理論、方法、技術等問題，產生原創性成果，從而為科技強國夢的實現做出貢獻。