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黃志澄:弘揚錢學森在研制東風導彈中的科學精神

2019-10-19 23:24:06  來源: 空天大視野  作者:黃志澄
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  在慶祝中華人民共和國成立七十周年時,我們必定會想起錢學森先生對發展共和國導彈和航天事業的杰出貢獻。今年10月31日,錢學森已經離開我們10周年了,但他的音容笑貌仍留在我們心里。今天,我們紀念他,就是要學習他的愛國奉獻的精神,學習他實事求是的科學精神。

  錢學森是我國著名科學家,他是我國導彈航天科技的奠基人。為此,他曾榮獲國家科技進步特等獎和“兩彈一星功勛獎章”。在1991年國務院、中央軍委授予錢學森“國家杰出貢獻科學家”榮譽稱號和一級英模獎章的授獎儀式式上,國家主席江澤民說:

  【“錢學森同志是我國杰出的科學家,在國內外享有很高的聲譽。他在技術科學的許多領域做出了卓越的貢獻。特別是在老一代無產階級革命家的領導下,錢學森同志以他淵博的知識和對人民事業的熱忱,為組織領導新中國火箭、導彈和航天器的研究發展工作發揮了重要作用。”】

  回顧錢學森先生的一生,他對國家最大的貢獻就是他在我國導彈事業創新發展中的杰出貢獻。在慶祝中華人民共和國成立七十周年時,我們將回顧他在我國發展導彈事業中的貢獻和所彰顯的科學精神,并以此來紀念錢學森逝世十周年。

  1.關于優先發展導彈的建議

  錢學森回國不久,在東北參觀哈爾濱軍事工程學院時,院長陳賡大將征詢他中國人搞導彈行不行。他回答:

  【“外國人能干的,中國人為什么不能干,難道中國人比外國人矮一截!”】

  在那時錢學森的意見確有舉足輕重的作用,當然問題也并非如此簡單。

  當時,蘇聯、美國的人造衛星并沒有上天,洲際導彈技術在國外也沒有突破。所以當時對于導彈究竟能不能成為一項重要的國防技術,一般人并沒有明確的認識,許多人甚至不知道導彈是怎么回事。大家有比較明確認識的倒是飛機。所以當時一個主要的爭論是,我們國家要不要搞導彈,能不能搞導彈?導彈和飛機的關系是什么?此一爭論在制定12年科學規劃時擺到了桌面上。

  錢學森回國時,正值我國正在制定12年科學規劃。他在1956年2月17日提出了《建立我國國防航空工業意見書》。在這個意見書中,他分析了當時我國航空工業的現狀后指出:

  【“我國現在航空工業是十分薄弱的,我們在最近才從飛機修理階段轉入飛機生產階段,有了飛機工廠和噴射式推進機廠。但是這兩個工廠現在完全依靠蘇聯供給的圖紙。自己還不能夠設計新型飛機,更不能做出為設計用的工程及科學資料。至于飛彈火箭,我們是完全沒有。”】

  在這個意見書中,他還重點分析了航空材料和風洞建設與國際水平的差距。不久,錢老在上述分析的基礎上,提出了優先發展導彈的建議。錢學森認為,飛機的重要性自不待言,而導彈確是一種新的有巨大威懾力的武器,其作用在二次大戰末期已現端倪,飛機與導彈各有優缺點,在戰爭中是相輔相成的。他還指出,導彈雖然是一種新型武器,但攻克火箭導彈技術并不見得比飛機更難,因為導彈是無人駕駛的一次性武器,而飛機則有人駕駛,且要求多次使用,這在發動機、結構、材料和飛行安全等問題上都有許多特殊的要求。

  考慮到當時蘇聯的赫魯曉夫建議中國要在發展飛機的基礎上再發展導彈,空軍司令劉亞樓也力挺先發展飛機的主張。因此,錢老提出這樣的建議是要有很大勇氣的,是一種站在戰略高度的創新思想。因此,在“兩彈一星”問題上,錢學森的真知灼見,對于中央作出決策,發揮了重要的促進和支撐作用。錢學森在研制東風系列導彈中的杰出貢獻,不僅為國家安全提供了戰略保障,而且為我國的運載火箭奠定了堅實的基礎,開拓了我國宏偉的航天征程。

  在這里還要說明,回顧錢學森一生,他也十分重視推動我國航空事業的發展,例如他曾費盡心血創建了中國空氣動力研究與發展中心,為我國研制成功各種現代飛機作出了重大貢獻。

  2.東風二號:經受挫折的考驗

  中國發展導彈的道路一直是充滿了荊棘,錢學森在當年是如何面對挫折走出困境的,非常值得現在的我們學習。我國彈道式導彈的發展是從仿制走向自行研制的。首先,引進了蘇聯“P-2”短程彈道導彈,其仿制型號即為“東風一號”導彈(代號是1059)。在此基礎上,研制“東風二號”導彈以突破從仿制到獨立研發的難關,就成為發展我國導彈的必不可少的環節,也是我國導彈技術發展的一次飛躍。

  “東風二號”的推進劑仍然是“1059”采用的液氧和酒精。對“東風二號”的主要的要求是其射程是“1059”的射程增加一倍即達到1200公里。因此研制“東風二號”的關鍵是增加發動機推力和改進結構設計以降低結構重量。研制團隊在經歷了無數通宵達旦的努力之后,第一枚“東風二號”在立項后一年零四個月后就順利出廠了。1962年3月21日在戈壁灘進行了“東風二號”的第一次試射。發射21秒時,導彈尾段著火!25秒左右發動機停止工作,最大飛行高度為3456米。在發射69秒后導彈墜毀在發射臺前300米的地方,在地面砸出一個大坑。這是一次讓那一代中國航天人刻骨銘心的失敗。

  發射失敗后第二天在北京指揮的錢學森立即趕到現場。在現場的分析會上錢學森說:

  【“科學試驗如果每次都保證成功,那又何必試驗呢?那就制造出來直接拿去使用就可以了。所以,我們不要怕失敗,失敗了,總結經驗教訓,再重來。經過挫折和失敗,會使我們增長才干,變得更加聰明。取得成功,對我們是鍛煉;遭受失敗,同樣使我們得到鍛煉,而這種鍛煉則更為重要,更為寶貴。”

  “我們要從遙測、光測數據中加以分析,找到設計的不足之處。要加強地面試驗。”】

  由錢學森領導的故障分析小組在現場工作了10天后回到北京,繼續工作了三個月。最后終于明確了故障的原因:一是在總體設計中沒有將彈體作為彈性體來考慮,彈體的振動與控制系統的耦合使導彈飛行失控。二是發動機提高推力后其強度不夠,導致結構損壞而起火。為何彈體的振動會與控制系統發生耦合呢?原因是“東風二號”比“1059”的彈體加長了3米,并把儀器艙從振動較小的彈體中部移動到振動較大的尾部,從而與控制系統產生了耦合。

  至于發動機的問題更加復雜。對于火箭發動機的故障的起因,當時有兩種觀點。一是認為是由發動機燃燒不穩定引起的。一是認為是由發動機強度不夠引起的。兩種觀點爭論不下。錢學森根據他自己的分析,排除了前一種可能,支持采取措施提高發動機的強度。他在發動機研究所的一次會議上說:“有理論論述,也有曲線,都說明發動機燃燒室存在不穩定燃燒的因素。看來言之確有理。但是,實際工作教育了我們。真實情況并不如此。就高頻切向振蕩來說,振蕩發生以后,其螺旋式的爆振波的破壞力很大,燃燒速度就會很快增加,大量的能量即迅速釋放出來,發動機燃燒室的溫度會大大上升,因此一般只要幾秒鐘頭部就會燒壞,同時整個發動機也被振壞了。而“東風二號”發動機只是局部振裂,這表明發動機不是燃燒不穩定,不是高頻振蕩。”

  【“不要局限于只總結某一條經驗或教訓,而是要想更深的道理,能否把經驗從感性階段上升到理性階段?是否能很好地接受經驗和教訓?人之所以了不起,就在于能接受經驗教訓,所以我建議更好地把這些經驗提煉一番,以便真正指導以后的工作。”】

  3.失敗的教訓最寶貴

  1962年7月,錢學森領導的故障分析小組,給國防科委提交了總結報告。報告除了分析前述兩個故障原因外,還指出:

  【“這次失敗暴露出來的問題是多方面的。在工程技術方面,還沒有掌握自行設計的規律,對導彈工程系統的復雜性認識不足。在總體和分系統綜合設計上,各分系統的技術協調和接口匹配上考慮不周,沒有意識到即使每個局部都符合要求,集成后仍有可能出問題;有些必要的地面試驗沒有做,或做得不夠充分;對產品的質量檢驗缺乏科學的標準。

  在科研管理方面,還沒有建立技術責任制,缺乏嚴格的研制程序和工作制度。在思想作風方面,急于求成,缺乏科學態度,對基礎工作特別是地面試驗重視不夠,對可能遇到的問題和困難估計不足,對產品存在的缺陷和隱患沒有采取有力措施堅決加以消除。”】

  實際上,這份報告遠遠超出了技術故障分析的內容,是對前一階段導彈研制工作的反思和總結。報告中提出的建議,在我國導彈和航天的發展中起到十分重要的作用。

  錢學森在報告中提出:加強地面試驗,凡是能在地面試驗證實或在地面模擬證實的,不要帶到飛行試驗中去考驗。為此根據錢學森的建議,立即抓緊進行了關鍵的地面試驗設施的建設,如大型火箭發動機試車、全彈振動試驗塔、跨超聲速風洞等。錢學森在故障分析中一再強調的“把故障消滅在地面”這句話,后來成為我國航天事業的一條重要原則和準繩。

  1962年11月五院黨委在上述報告的基礎上,經過反復討論修改,公布了《國防部第五研究院暫行條例(草案)》。這份文件對今后的導彈的研制起到了重要的指導作用。文件的核心內容主要有以下三點:

  一是建立技術責任制。主要內容是建立健全的兩條指揮線,即以總設計師為主的技術指揮線和以行政總指揮為主的行政指揮線。這兩條指揮線分工明確、職責分明而又互相配合,在我軍歷史上實屬創舉。

  二是建設總體設計部。后來的歷史證明,建立總體設計部是一種非常有效的管理思想和方法。對于導彈這種十分復雜的工程,錢學森說:

  【“這樣復雜的總體協調任務是不可能靠一個人來完成,因為他不可能精通整個系統所涉及的全部專業知識,他也沒有足夠的時間來完成數量驚人的技術協調工作。這就要求以一種組織、一個集體來代替先前單個指揮者,對這種大規模的社會勞動進行協調指揮。在我國國防尖端科研部門建立的這種組織就是總體設計部(或總體設計所)。

  他們不是幾十個人,他們是成千上百學科配套、專業齊全、具有豐富研制經驗的高科技隊伍。”】

  三是建立科研生產管理系統。在“東風二號”首飛失利的故障分析處理過程中,老一代航天人總結了經驗和教訓,又經過了不斷摸索、探索和實踐,開始形成一個嶄新的科研生產管理體制,并在型號研制中發揮重要作用。當時雖然還沒有正式提出“系統工程”這個詞,但是,航天人在處理“東風二號”首飛失敗的故障時,就是以“系統工程”方法,在錢學森具體直接的領導下完成的。

  在錢學森先生的領導下,研制隊伍經過兩年的努力,對原來的東風二號導彈的總體方案和分系統進行了多項改進,并于1964年6月29日在酒泉發射成功。

  4.東風三號:承前啟后的關鍵

  在東方一號、二號的基礎上,1965年初七機部給中央上報了《1965年至1972年地地導彈發展規劃》。這份計劃提出,將在八年時間內研制出東風系列的中近程、中程、中遠程和洲際導彈。它是中國航天歷史上第一個完整的基本得以實現的戰略發展規劃。錢學森以戰略科學家的眼光和技術科學家的縝密,策劃并組織實施了這份規劃,后來被稱為“八年四彈”。正是由于這一規劃,中國在導彈技術的發展途徑上,從追趕型轉變為趕超型。

  “東風三號”導彈是我國自行研制的中程導彈,推進劑改用可貯存的硝酸和偏二甲肼,推進系統由4臺發動機并聯而成。它的研制成功,為今后發展中遠程和洲際導彈,奠定了堅實的基礎,從而成為我國導彈發展史上的一個里程碑。

  “東風三號”導彈的研制也并非一帆風順。雖然在預研中攻克了許多關鍵技術,但在單個發動機地面試驗時,仍然發生了發動機的毀壞。在這種情況下,大家的心情都很沉重。錢學森來到試車臺,他在細心觀察故障情況并聽取匯報以后,沉思良久后提出:

  【“我們不能總是讓故障牽著走,大家是不是回過頭來想想有什么根本問題在影響著發動機的燃燒穩定性?是不是應該考慮高頻振蕩問題?”】

  他的話啟示了在場的科技人員。在考慮了高頻振蕩所產生的影響以后,改進了發動機的設計。從此,“東風三號”發動機的試車順利過關。

  1965年12月26日,進行了“東風三號”導彈進行了一號試驗彈的飛行試驗。飛行試驗前一階段一切正常,但在飛行到111.2秒后,發動機推力出現大幅下降。1967年1月12日,又進行了二號試驗彈的飛行試驗,在129.2秒的時候,再次出現了發動機推力下降。這兩次試驗導致彈頭落點與目標偏差較大。此后,錢學森和任新民等帶領技術人員,仔細分析了發動機故障的疑點。任新民又親自帶人在馬扎山大沙漠中走了五天,最終找到了發動機的殘骸,從而確定了燃燒室破裂的真正原因,并針對性地提出了改進意見。

  1966年5月中,“東風三號”導彈準備第三次飛行試驗。由于推遲發射,推進劑需要從箱體中泄出,但操作人員思想過于緊張,忘記打開通氣閥,造成導彈內部真空,被大氣壓擠癟了一塊。當時基地參試人員都認為這是個重大故障,認為導彈肯定不能發射了,而錢學森在親自爬上塔架查看情況后,結合自己在美國進行圓柱殼體研究的經驗,判斷導彈外殼形變并沒有達到結構損傷的程度,主張可以繼續發射。當時由錢學森在有關文件上署名,向聶榮臻直接匯報。而聶帥的回答也非常簡單:

  【“這次發射在技術上由錢學森負責,他說可以發射,我同意。”】

  最終結果如他所料,這次發射成功了。

  5. 氣動力戰線的“淮海戰役”

  世界公認的錢學森一生最具有開創性的成就之一,就在高速飛行器的氣動力和氣動熱方面。在研制東風系列導彈的過程,曾遇到一系列的氣動和防熱問題。錢學森在自己最熟悉的領域,輕車熟路,進展順利。他回國后相繼創建的中科院力學研究所、北京空氣動力學研究所、中國空氣動力研究與發展中心等單位,在突破東風導彈的氣動防熱關鍵,起了十分重要的作用。在研制“東風二號”導彈的研制中,重點解決了跨聲速的氣動載荷和抖振問題。在研制“東風三號”導彈的研制中,重點解決發動機的底部多發動機的噴流干擾問題。在研制“東風四號”導彈的研制中,重點解決了級間分離的氣動問題。

  在上述導彈的研制中,遇到的共性問題是彈頭在再入大氣層的氣動防熱問題。錢學森對此早有準備。早在1964年,由錢學森倡議,組成了一個彈頭防熱研究的全國性的研究協調組。錢學森親自擔任組長。參加研究單位除了國防部第五研究院的多個單位外,還包括中國科學院的力學所等多個單位。錢學森親自組織協調研究工作。1964年12月,召開了研究成果的匯總匯報會。在這個會上,錢學森提出中國的彈頭防熱就是要走燒蝕防熱的道路,并號召大家對長遠的目標,要加強預研工作。

  在研制“東風三號”和“東風四號”導彈的過程中,燒蝕防熱就已經成為關鍵問題之一。在研制“東風五號”時,這個問題就更加突出。1975年9月10日,由錢學森掛帥,莊逢甘主持,集中組織了全國各有關工業部門、科學院、高校空氣動力的研究所、研究中心、實驗室的專家,進行了一場攻克遠程導彈再入防熱和飛行穩定性的大會戰。錢學森在動員會上稱這是一次空氣動力學界的“淮海戰役”(代號為“910”工程)。會戰采用系統工程的方法,把兩個關鍵技術分解成若干專題,按空氣動力學特點,按照解決氣動問題的三大手段進行分解。整個工程項目下再設專題、課題。考慮到各單位的氣動計算和風洞試驗結果,可能會差異較大,因此,每個題目都起碼有兩個以上單位同時承擔,盡可能用不同的方法進行研究,以確保結果的正確性。型號總體部和研究試驗單位組織起來,對項目的進度和質量,及時檢查、協調、總結和交流,然后再逐項綜合集成,提出結論性意見,最后組織專家評定。

  經過一年多的共同努力,1977年2月,又一次召開了“會議。錢學森再次參加了會議,聽取了一年來工作匯報和結論。經過專家評議,一致認為關鍵技術已經基本突破。會議上雖然還提出了一些問題和需要深入開展的工作,但這些問題不會影響彈頭進行模擬真實再入條件的低彈道飛行試驗。

  在這場戰役中,在前線指揮戰役的莊逢甘后來回憶說:

  【“錢先生給我講了兩句話,第一句,彈頭不能翻跟斗,你打到上頭翻跟斗不就壞了嗎;第二句,彈頭不能燒壞了,因為再入時那個速度很高,彈頭表面都要燒的,燒嘛,只好讓它燒,但不能燒壞了,但也不能燒得毫無規則,毫無規則你那個東西掉下來就不知道打到那兒去了。這兩件事,怎么干?當時錢先生就給我講,要搞“淮海戰役”。別看這兩句話,那是動員了國家很多研究單位啊!后來,我們超越了美國曾走過的熱沉式防熱的彎路,徑直走上鈍錐燒蝕防熱的捷徑,取得了“淮海戰役”的大捷。”】

  后來,這個“910”攻關組繼續為下一代彈頭的氣動防熱技術進行了預研,從而為我國的高超聲速彈頭的發展打下了堅實的基礎。

  6. 弘揚錢學森的科學精神

  科學精神就是實事求是,按科學規律去解決問題的精神。錢學森晚年總結說:

  【“我們不能人云亦云,這不是科學精神,科學精神最重要的就是創新。”】

  錢學森的一生,是創新的一生。他在我國導彈發展的工程實踐中,從仿制到自行研制,走出了一條導彈研制的創新之路。錢學森在研制東風系列導彈中的科學精神,主要表現在以下三個方面:

  一是堅持科學理論與實踐相結合。理論與實踐相結合是錢學森倡導的技術科學的優良傳統。錢學森早年在美國讀研究生和工作時,在技術科學的主要領域如力學、燃燒理論和控制論等方面,均取得了許多開創性的研究成果。錢學森在發展我國導彈事業的實踐中,充分應用了這些成果,并通過研制工作實踐中發現的問題,進一步總結并提高到新的理論高度。前述的燒蝕防熱和發動機的燃燒穩定性都屬于化學氣動力學的范疇。他在美國曾發表過《可壓縮流體的流動以及反作用力推進(Problems in Motion of Compressible Fluids and Reaction Propulsion)》、《火箭發動機中燃燒的伺服穩定(Servo-Stabilization of Combustion in Rocket Motors)》等論文。他在回國后,就在中科院力學研究所就創立了高溫氣體動力學研究室和研究發動機燃燒穩定性的研究室,錢學森參加了這兩個研究室的所有技術討論會。這些理論研究成果為他正確判斷“東風二號”、“東風三號”導彈的發動機燃燒穩定性和解決彈頭的燒蝕防熱問題,發揮了重要作用。1965年在中國航空學會空氣動力學學術會議上,他又作了有關火箭發動機燃燒穩定性的總結報告。

  在上海交通大學錢學森圖書館中,陳列著這樣一個信封,是錢學森在1941年研究火箭圓柱形殼體在高速飛行中產生變形問題時存放論文手稿的信封,正中間的Cylindrical Shell即為圓柱殼體,下方紅字Final意為定稿。這些論文就是他面對凹陷的導彈外殼,敢于主張繼續發射的底氣。注意右下方Final紅字旁的“Nothing is final!!!”,永無止境,這就是錢學森對自己的鞭策,也是他貫穿一生的信念。

  二是堅持從大處著眼從小處著手。錢學森對研制工作的細節有著極高的要求。在“東風三號”導彈的試驗中,錢學森親自去靶場指導測試與合練工作,對于測試中出現的每一個小問題和改進措施,他都一一過問,親自把關。一位參試同志向錢學森匯報氧化劑的加1注活門“有點漏氣”,錢學森立即問:“有多大點漏氣?你們測量過沒有?”

  在得到否定回答后,錢學森嚴肅地要求他馬上回去進行測量。經過反復測量,漏氣程度為每分鐘一個小氣泡,即在允許范圍之內,錢學森這才放心。1969年8月底,在“東風四號”導彈首次試射現場,現場試驗人員發現陀螺儀失靈,一時找不出原因。隨后錢學森來到現場,仔細檢查后,提出是在導彈出廠時少裝了一個活門。這種“手到病除”的本領,當然決非一日之功。

  三是堅持技術民主。在我國導彈事業的發展中,以錢學森為代表的技術核心作出了重要的貢獻。錢學森在擔任我國導彈事業的技術領導人期間,每個星期日下午,總是將幾位總師請到家中,研究討論重大技術問題。錢老先請每位老總充分發表自己的意見,然后展開討論。對于意見不一致的,則先由錢老集中意見,提出解決辦法;如在實踐中遇到辦不通的地方,下次開會再提出來,重新研究。錢老曾說過:

  【“成功了,功勞是大家的;出了問題,則由我承擔責任。這樣大家都心情舒暢,能暢所欲言。”】

  錢學森不僅能聽取老專家的意見,也認真聽取年輕人的大膽創意,只要有道理,他都積極支持。

  7.結束語

  我國導彈事業的輝煌成功,歸功于中央的正確決策,歸功于在這個領域中工作過的無數普通科研人員、干部和戰士。但在這個過程中。以錢學森為代表的老一輩導彈科學家的科學精神,發揮了十分突出的作用。今天,我國導彈與航天事業正面臨更艱巨的新任務,為此,我們要學習和弘揚錢學森的科學精神,不斷勇攀新的高峰。面臨新的挑戰,中國導彈與航天事業,也正在呼喚出現像錢學森這樣的引領一代航天事業的航天大師!

  附記:本文引用的東風導彈的史料引自中國宇航出版社2011年出版的石磊等著的《錢學森的航天歲月》,本文作者參加了該書的部分編寫工作。

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