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黄志澄:弘扬钱学森在研制东风导弹中的科学精神

2019-10-19 23:24:06  来源: 空天大视野   作者:黄志澄
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  在庆祝中华人民共和国成立七十周年时,我们必定会想起钱学森先生对发展共和国导弹和航天事业的杰出贡献。今年10月31日,钱学森已经离开我们10周年了,但他的音容笑貌仍留在我们心里。今天,我们纪念他,就是要学习他的爱国奉献的精神,学习他实事求是的科学精神。

  钱学森是我国著名科学家,他是我国导弹航天科技的奠基人。为此,他曾荣获国家科技进步特等奖和“两弹一星功勋奖章”。在1991年国务院、中央军委授予钱学森“国家杰出贡献科学家”荣誉称号和一级英模奖章的授奖仪式式上,国家主席江泽民说:

  【“钱学森同志是我国杰出的科学家,在国内外享有很高的声誉。他在技术科学的许多领域做出了卓越的贡献。特别是在老一代无产阶级革命家的领导下,钱学森同志以他渊博的知识和对人民事业的热忱,为组织领导新中国火箭、导弹和航天器的研究发展工作发挥了重要作用。”】

  回顾钱学森先生的一生,他对国家最大的贡献就是他在我国导弹事业创新发展中的杰出贡献。在庆祝中华人民共和国成立七十周年时,我们将回顾他在我国发展导弹事业中的贡献和所彰显的科学精神,并以此来纪念钱学森逝世十周年。

  1.关于优先发展导弹的建议

  钱学森回国不久,在东北参观哈尔滨军事工程学院时,院长陈赓大将征询他中国人搞导弹行不行。他回答:

  【“外国人能干的,中国人为什么不能干,难道中国人比外国人矮一截!”】

  在那时钱学森的意见确有举足轻重的作用,当然问题也并非如此简单。

  当时,苏联、美国的人造卫星并没有上天,洲际导弹技术在国外也没有突破。所以当时对于导弹究竟能不能成为一项重要的国防技术,一般人并没有明确的认识,许多人甚至不知道导弹是怎么回事。大家有比较明确认识的倒是飞机。所以当时一个主要的争论是,我们国家要不要搞导弹,能不能搞导弹?导弹和飞机的关系是什么?此一争论在制定12年科学规划时摆到了桌面上。

  钱学森回国时,正值我国正在制定12年科学规划。他在1956年2月17日提出了《建立我国国防航空工业意见书》。在这个意见书中,他分析了当时我国航空工业的现状后指出:

  【“我国现在航空工业是十分薄弱的,我们在最近才从飞机修理阶段转入飞机生产阶段,有了飞机工厂和喷射式推进机厂。但是这两个工厂现在完全依靠苏联供给的图纸。自己还不能够设计新型飞机,更不能做出为设计用的工程及科学资料。至于飞弹火箭,我们是完全没有。”】

  在这个意见书中,他还重点分析了航空材料和风洞建设与国际水平的差距。不久,钱老在上述分析的基础上,提出了优先发展导弹的建议。钱学森认为,飞机的重要性自不待言,而导弹确是一种新的有巨大威慑力的武器,其作用在二次大战末期已现端倪,飞机与导弹各有优缺点,在战争中是相辅相成的。他还指出,导弹虽然是一种新型武器,但攻克火箭导弹技术并不见得比飞机更难,因为导弹是无人驾驶的一次性武器,而飞机则有人驾驶,且要求多次使用,这在发动机、结构、材料和飞行安全等问题上都有许多特殊的要求。

  考虑到当时苏联的赫鲁晓夫建议中国要在发展飞机的基础上再发展导弹,空军司令刘亚楼也力挺先发展飞机的主张。因此,钱老提出这样的建议是要有很大勇气的,是一种站在战略高度的创新思想。因此,在“两弹一星”问题上,钱学森的真知灼见,对于中央作出决策,发挥了重要的促进和支撑作用。钱学森在研制东风系列导弹中的杰出贡献,不仅为国家安全提供了战略保障,而且为我国的运载火箭奠定了坚实的基础,开拓了我国宏伟的航天征程。

  在这里还要说明,回顾钱学森一生,他也十分重视推动我国航空事业的发展,例如他曾费尽心血创建了中国空气动力研究与发展中心,为我国研制成功各种现代飞机作出了重大贡献。

  2.东风二号:经受挫折的考验

  中国发展导弹的道路一直是充满了荆棘,钱学森在当年是如何面对挫折走出困境的,非常值得现在的我们学习。我国弹道式导弹的发展是从仿制走向自行研制的。首先,引进了苏联“P-2”短程弹道导弹,其仿制型号即为“东风一号”导弹(代号是1059)。在此基础上,研制“东风二号”导弹以突破从仿制到独立研发的难关,就成为发展我国导弹的必不可少的环节,也是我国导弹技术发展的一次飞跃。

  “东风二号”的推进剂仍然是“1059”采用的液氧和酒精。对“东风二号”的主要的要求是其射程是“1059”的射程增加一倍即达到1200公里。因此研制“东风二号”的关键是增加发动机推力和改进结构设计以降低结构重量。研制团队在经历了无数通宵达旦的努力之后,第一枚“东风二号”在立项后一年零四个月后就顺利出厂了。1962年3月21日在戈壁滩进行了“东风二号”的第一次试射。发射21秒时,导弹尾段着火!25秒左右发动机停止工作,最大飞行高度为3456米。在发射69秒后导弹坠毁在发射台前300米的地方,在地面砸出一个大坑。这是一次让那一代中国航天人刻骨铭心的失败。

  发射失败后第二天在北京指挥的钱学森立即赶到现场。在现场的分析会上钱学森说:

  【“科学试验如果每次都保证成功,那又何必试验呢?那就制造出来直接拿去使用就可以了。所以,我们不要怕失败,失败了,总结经验教训,再重来。经过挫折和失败,会使我们增长才干,变得更加聪明。取得成功,对我们是锻炼;遭受失败,同样使我们得到锻炼,而这种锻炼则更为重要,更为宝贵。”

  “我们要从遥测、光测数据中加以分析,找到设计的不足之处。要加强地面试验。”】

  由钱学森领导的故障分析小组在现场工作了10天后回到北京,继续工作了三个月。最后终于明确了故障的原因:一是在总体设计中没有将弹体作为弹性体来考虑,弹体的振动与控制系统的耦合使导弹飞行失控。二是发动机提高推力后其强度不够,导致结构损坏而起火。为何弹体的振动会与控制系统发生耦合呢?原因是“东风二号”比“1059”的弹体加长了3米,并把仪器舱从振动较小的弹体中部移动到振动较大的尾部,从而与控制系统产生了耦合。

  至于发动机的问题更加复杂。对于火箭发动机的故障的起因,当时有两种观点。一是认为是由发动机燃烧不稳定引起的。一是认为是由发动机强度不够引起的。两种观点争论不下。钱学森根据他自己的分析,排除了前一种可能,支持采取措施提高发动机的强度。他在发动机研究所的一次会议上说:“有理论论述,也有曲线,都说明发动机燃烧室存在不稳定燃烧的因素。看来言之确有理。但是,实际工作教育了我们。真实情况并不如此。就高频切向振荡来说,振荡发生以后,其螺旋式的爆振波的破坏力很大,燃烧速度就会很快增加,大量的能量即迅速释放出来,发动机燃烧室的温度会大大上升,因此一般只要几秒钟头部就会烧坏,同时整个发动机也被振坏了。而“东风二号”发动机只是局部振裂,这表明发动机不是燃烧不稳定,不是高频振荡。”

  【“不要局限于只总结某一条经验或教训,而是要想更深的道理,能否把经验从感性阶段上升到理性阶段?是否能很好地接受经验和教训?人之所以了不起,就在于能接受经验教训,所以我建议更好地把这些经验提炼一番,以便真正指导以后的工作。”】

  3.失败的教训最宝贵

  1962年7月,钱学森领导的故障分析小组,给国防科委提交了总结报告。报告除了分析前述两个故障原因外,还指出:

  【“这次失败暴露出来的问题是多方面的。在工程技术方面,还没有掌握自行设计的规律,对导弹工程系统的复杂性认识不足。在总体和分系统综合设计上,各分系统的技术协调和接口匹配上考虑不周,没有意识到即使每个局部都符合要求,集成后仍有可能出问题;有些必要的地面试验没有做,或做得不够充分;对产品的质量检验缺乏科学的标准。

  在科研管理方面,还没有建立技术责任制,缺乏严格的研制程序和工作制度。在思想作风方面,急于求成,缺乏科学态度,对基础工作特别是地面试验重视不够,对可能遇到的问题和困难估计不足,对产品存在的缺陷和隐患没有采取有力措施坚决加以消除。”】

  实际上,这份报告远远超出了技术故障分析的内容,是对前一阶段导弹研制工作的反思和总结。报告中提出的建议,在我国导弹和航天的发展中起到十分重要的作用。

  钱学森在报告中提出:加强地面试验,凡是能在地面试验证实或在地面模拟证实的,不要带到飞行试验中去考验。为此根据钱学森的建议,立即抓紧进行了关键的地面试验设施的建设,如大型火箭发动机试车、全弹振动试验塔、跨超声速风洞等。钱学森在故障分析中一再强调的“把故障消灭在地面”这句话,后来成为我国航天事业的一条重要原则和准绳。

  1962年11月五院党委在上述报告的基础上,经过反复讨论修改,公布了《国防部第五研究院暂行条例(草案)》。这份文件对今后的导弹的研制起到了重要的指导作用。文件的核心内容主要有以下三点:

  一是建立技术责任制。主要内容是建立健全的两条指挥线,即以总设计师为主的技术指挥线和以行政总指挥为主的行政指挥线。这两条指挥线分工明确、职责分明而又互相配合,在我军历史上实属创举。

  二是建设总体设计部。后来的历史证明,建立总体设计部是一种非常有效的管理思想和方法。对于导弹这种十分复杂的工程,钱学森说:

  【“这样复杂的总体协调任务是不可能靠一个人来完成,因为他不可能精通整个系统所涉及的全部专业知识,他也没有足够的时间来完成数量惊人的技术协调工作。这就要求以一种组织、一个集体来代替先前单个指挥者,对这种大规模的社会劳动进行协调指挥。在我国国防尖端科研部门建立的这种组织就是总体设计部(或总体设计所)。

  他们不是几十个人,他们是成千上百学科配套、专业齐全、具有丰富研制经验的高科技队伍。”】

  三是建立科研生产管理系统。在“东风二号”首飞失利的故障分析处理过程中,老一代航天人总结了经验和教训,又经过了不断摸索、探索和实践,开始形成一个崭新的科研生产管理体制,并在型号研制中发挥重要作用。当时虽然还没有正式提出“系统工程”这个词,但是,航天人在处理“东风二号”首飞失败的故障时,就是以“系统工程”方法,在钱学森具体直接的领导下完成的。

  在钱学森先生的领导下,研制队伍经过两年的努力,对原来的东风二号导弹的总体方案和分系统进行了多项改进,并于1964年6月29日在酒泉发射成功。

  4.东风三号:承前启后的关键

  在东方一号、二号的基础上,1965年初七机部给中央上报了《1965年至1972年地地导弹发展规划》。这份计划提出,将在八年时间内研制出东风系列的中近程、中程、中远程和洲际导弹。它是中国航天历史上第一个完整的基本得以实现的战略发展规划。钱学森以战略科学家的眼光和技术科学家的缜密,策划并组织实施了这份规划,后来被称为“八年四弹”。正是由于这一规划,中国在导弹技术的发展途径上,从追赶型转变为赶超型。

  “东风三号”导弹是我国自行研制的中程导弹,推进剂改用可贮存的硝酸和偏二甲肼,推进系统由4台发动机并联而成。它的研制成功,为今后发展中远程和洲际导弹,奠定了坚实的基础,从而成为我国导弹发展史上的一个里程碑。

  “东风三号”导弹的研制也并非一帆风顺。虽然在预研中攻克了许多关键技术,但在单个发动机地面试验时,仍然发生了发动机的毁坏。在这种情况下,大家的心情都很沉重。钱学森来到试车台,他在细心观察故障情况并听取汇报以后,沉思良久后提出:

  【“我们不能总是让故障牵着走,大家是不是回过头来想想有什么根本问题在影响着发动机的燃烧稳定性?是不是应该考虑高频振荡问题?”】

  他的话启示了在场的科技人员。在考虑了高频振荡所产生的影响以后,改进了发动机的设计。从此,“东风三号”发动机的试车顺利过关。

  1965年12月26日,进行了“东风三号”导弹进行了一号试验弹的飞行试验。飞行试验前一阶段一切正常,但在飞行到111.2秒后,发动机推力出现大幅下降。1967年1月12日,又进行了二号试验弹的飞行试验,在129.2秒的时候,再次出现了发动机推力下降。这两次试验导致弹头落点与目标偏差较大。此后,钱学森和任新民等带领技术人员,仔细分析了发动机故障的疑点。任新民又亲自带人在马扎山大沙漠中走了五天,最终找到了发动机的残骸,从而确定了燃烧室破裂的真正原因,并针对性地提出了改进意见。

  1966年5月中,“东风三号”导弹准备第三次飞行试验。由于推迟发射,推进剂需要从箱体中泄出,但操作人员思想过于紧张,忘记打开通气阀,造成导弹内部真空,被大气压挤瘪了一块。当时基地参试人员都认为这是个重大故障,认为导弹肯定不能发射了,而钱学森在亲自爬上塔架查看情况后,结合自己在美国进行圆柱壳体研究的经验,判断导弹外壳形变并没有达到结构损伤的程度,主张可以继续发射。当时由钱学森在有关文件上署名,向聂荣臻直接汇报。而聂帅的回答也非常简单:

  【“这次发射在技术上由钱学森负责,他说可以发射,我同意。”】

  最终结果如他所料,这次发射成功了。

  5. 气动力战线的“淮海战役”

  世界公认的钱学森一生最具有开创性的成就之一,就在高速飞行器的气动力和气动热方面。在研制东风系列导弹的过程,曾遇到一系列的气动和防热问题。钱学森在自己最熟悉的领域,轻车熟路,进展顺利。他回国后相继创建的中科院力学研究所、北京空气动力学研究所、中国空气动力研究与发展中心等单位,在突破东风导弹的气动防热关键,起了十分重要的作用。在研制“东风二号”导弹的研制中,重点解决了跨声速的气动载荷和抖振问题。在研制“东风三号”导弹的研制中,重点解决发动机的底部多发动机的喷流干扰问题。在研制“东风四号”导弹的研制中,重点解决了级间分离的气动问题。

  在上述导弹的研制中,遇到的共性问题是弹头在再入大气层的气动防热问题。钱学森对此早有准备。早在1964年,由钱学森倡议,组成了一个弹头防热研究的全国性的研究协调组。钱学森亲自担任组长。参加研究单位除了国防部第五研究院的多个单位外,还包括中国科学院的力学所等多个单位。钱学森亲自组织协调研究工作。1964年12月,召开了研究成果的汇总汇报会。在这个会上,钱学森提出中国的弹头防热就是要走烧蚀防热的道路,并号召大家对长远的目标,要加强预研工作。

  在研制“东风三号”和“东风四号”导弹的过程中,烧蚀防热就已经成为关键问题之一。在研制“东风五号”时,这个问题就更加突出。1975年9月10日,由钱学森挂帅,庄逢甘主持,集中组织了全国各有关工业部门、科学院、高校空气动力的研究所、研究中心、实验室的专家,进行了一场攻克远程导弹再入防热和飞行稳定性的大会战。钱学森在动员会上称这是一次空气动力学界的“淮海战役”(代号为“910”工程)。会战采用系统工程的方法,把两个关键技术分解成若干专题,按空气动力学特点,按照解决气动问题的三大手段进行分解。整个工程项目下再设专题、课题。考虑到各单位的气动计算和风洞试验结果,可能会差异较大,因此,每个题目都起码有两个以上单位同时承担,尽可能用不同的方法进行研究,以确保结果的正确性。型号总体部和研究试验单位组织起来,对项目的进度和质量,及时检查、协调、总结和交流,然后再逐项综合集成,提出结论性意见,最后组织专家评定。

  经过一年多的共同努力,1977年2月,又一次召开了“会议。钱学森再次参加了会议,听取了一年来工作汇报和结论。经过专家评议,一致认为关键技术已经基本突破。会议上虽然还提出了一些问题和需要深入开展的工作,但这些问题不会影响弹头进行模拟真实再入条件的低弹道飞行试验。

  在这场战役中,在前线指挥战役的庄逢甘后来回忆说:

  【“钱先生给我讲了两句话,第一句,弹头不能翻跟斗,你打到上头翻跟斗不就坏了吗;第二句,弹头不能烧坏了,因为再入时那个速度很高,弹头表面都要烧的,烧嘛,只好让它烧,但不能烧坏了,但也不能烧得毫无规则,毫无规则你那个东西掉下来就不知道打到那儿去了。这两件事,怎么干?当时钱先生就给我讲,要搞“淮海战役”。别看这两句话,那是动员了国家很多研究单位啊!后来,我们超越了美国曾走过的热沉式防热的弯路,径直走上钝锥烧蚀防热的捷径,取得了“淮海战役”的大捷。”】

  后来,这个“910”攻关组继续为下一代弹头的气动防热技术进行了预研,从而为我国的高超声速弹头的发展打下了坚实的基础。

  6. 弘扬钱学森的科学精神

  科学精神就是实事求是,按科学规律去解决问题的精神。钱学森晚年总结说:

  【“我们不能人云亦云,这不是科学精神,科学精神最重要的就是创新。”】

  钱学森的一生,是创新的一生。他在我国导弹发展的工程实践中,从仿制到自行研制,走出了一条导弹研制的创新之路。钱学森在研制东风系列导弹中的科学精神,主要表现在以下三个方面:

  一是坚持科学理论与实践相结合。理论与实践相结合是钱学森倡导的技术科学的优良传统。钱学森早年在美国读研究生和工作时,在技术科学的主要领域如力学、燃烧理论和控制论等方面,均取得了许多开创性的研究成果。钱学森在发展我国导弹事业的实践中,充分应用了这些成果,并通过研制工作实践中发现的问题,进一步总结并提高到新的理论高度。前述的烧蚀防热和发动机的燃烧稳定性都属于化学气动力学的范畴。他在美国曾发表过《可压缩流体的流动以及反作用力推进(Problems in Motion of Compressible Fluids and Reaction Propulsion)》、《火箭发动机中燃烧的伺服稳定(Servo-Stabilization of Combustion in Rocket Motors)》等论文。他在回国后,就在中科院力学研究所就创立了高温气体动力学研究室和研究发动机燃烧稳定性的研究室,钱学森参加了这两个研究室的所有技术讨论会。这些理论研究成果为他正确判断“东风二号”、“东风三号”导弹的发动机燃烧稳定性和解决弹头的烧蚀防热问题,发挥了重要作用。1965年在中国航空学会空气动力学学术会议上,他又作了有关火箭发动机燃烧稳定性的总结报告。

  在上海交通大学钱学森图书馆中,陈列着这样一个信封,是钱学森在1941年研究火箭圆柱形壳体在高速飞行中产生变形问题时存放论文手稿的信封,正中间的Cylindrical Shell即为圆柱壳体,下方红字Final意为定稿。这些论文就是他面对凹陷的导弹外壳,敢于主张继续发射的底气。注意右下方Final红字旁的“Nothing is final!!!”,永无止境,这就是钱学森对自己的鞭策,也是他贯穿一生的信念。

  二是坚持从大处着眼从小处着手。钱学森对研制工作的细节有着极高的要求。在“东风三号”导弹的试验中,钱学森亲自去靶场指导测试与合练工作,对于测试中出现的每一个小问题和改进措施,他都一一过问,亲自把关。一位参试同志向钱学森汇报氧化剂的加1注活门“有点漏气”,钱学森立即问:“有多大点漏气?你们测量过没有?”

  在得到否定回答后,钱学森严肃地要求他马上回去进行测量。经过反复测量,漏气程度为每分钟一个小气泡,即在允许范围之内,钱学森这才放心。1969年8月底,在“东风四号”导弹首次试射现场,现场试验人员发现陀螺仪失灵,一时找不出原因。随后钱学森来到现场,仔细检查后,提出是在导弹出厂时少装了一个活门。这种“手到病除”的本领,当然决非一日之功。

  三是坚持技术民主。在我国导弹事业的发展中,以钱学森为代表的技术核心作出了重要的贡献。钱学森在担任我国导弹事业的技术领导人期间,每个星期日下午,总是将几位总师请到家中,研究讨论重大技术问题。钱老先请每位老总充分发表自己的意见,然后展开讨论。对于意见不一致的,则先由钱老集中意见,提出解决办法;如在实践中遇到办不通的地方,下次开会再提出来,重新研究。钱老曾说过:

  【“成功了,功劳是大家的;出了问题,则由我承担责任。这样大家都心情舒畅,能畅所欲言。”】

  钱学森不仅能听取老专家的意见,也认真听取年轻人的大胆创意,只要有道理,他都积极支持。

  7.结束语

  我国导弹事业的辉煌成功,归功于中央的正确决策,归功于在这个领域中工作过的无数普通科研人员、干部和战士。但在这个过程中。以钱学森为代表的老一辈导弹科学家的科学精神,发挥了十分突出的作用。今天,我国导弹与航天事业正面临更艰巨的新任务,为此,我们要学习和弘扬钱学森的科学精神,不断勇攀新的高峰。面临新的挑战,中国导弹与航天事业,也正在呼唤出现像钱学森这样的引领一代航天事业的航天大师!

  附记:本文引用的东风导弹的史料引自中国宇航出版社2011年出版的石磊等著的《钱学森的航天岁月》,本文作者参加了该书的部分编写工作。

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