钱学森发明了什么 史海钩沉 | 钱学森的科学战略预见

本文是汪文华于2020年12月11日、18日、25日在《科学时报》连载的钱学森《科学预见》的完整版本。

钱学森是一位伟大的战略科学家。钱学森一生为中国的科学事业做出了贡献，主要成就包括两弹一星、应用力学、物理力学、航空航天与喷气、工程控制论、系统科学等。钱学森的科学预见只是众多成就之一。科学预见是基于科学理论和经验对未来发展的推断。像钱学森这样能打破学术发展瓶颈的天才的远见卓识，体现了钱学森在未来科技发展中丰富的想象力、敏锐的洞察力和巨大的勇气与创新精神。本文选取了钱学森的11个科学预见项目与读者分享。

一个

火箭高性能清洁推进剂展望

1935年8月，钱学森前往麻省理工学院攻读硕士学位。赴美前发表了《火箭》《美国大飞船失事原因与美国建造宇宙飞船》《飞行中使用的蒸汽机》空《飞行印刷厂》《航炮近况》《飞艇与飞艇的比较与飞艇未来发展之路》《音乐与音乐内容》等7篇论文。其中《火箭》一文最具代表性，最能体现钱学森的科学敏锐性。20世纪30年代，火箭作为人类征服天空的飞行工具空，还停留在科幻的阶段。

钱学森在文中论述了火箭上升的原理，对火箭燃料的性能、技术和安全性进行了对比分析，还提出了三级火箭、火箭飞机、借助火箭进行行星际航行等设想，这些设想在当时是不可思议的，但在今天仍然遥不可及。后来火箭技术发展的实践证明，钱学森的预见是完全正确的。本文不仅体现了钱学森“科研要大胆创新”的思想，而且处处闪耀着科学浪漫主义的光芒。钱学森在开头写道:

“你在一个晴朗的夜晚，看着无数闪亮的星星，你有一种渴望和失望。我们真的这么可怜吗？不，从来没有！我们必须征服宇宙！”

他还前瞻性地指出，“现在是天堂的时代空”；“这个小玩意是空期间征服宇宙的开始”。2019年10月31日，钱学森逝世10周年之际，《中国航天》杂志发文称:

为了发射更大的宇宙飞船，需要“更强”的运载火箭。近年来，我国运载火箭技术取得新突破，新一代运载火箭相继首飞，近地轨道运载能力25吨，地球同步转移轨道运载能力14吨。你年轻时发表的论文《火箭》中提到的几种高性能清洁推进剂，已经用于新一代运载火箭。

二

核动力火箭发动机的前瞻

1945年12月，钱学森作为美军空军事科学顾问团成员，参与编写了题为《迈向新高度》的报告，对战后美国飞机和火箭导弹的发展提出了长远规划，首次提出了核动力火箭的概念。1948年，钱学森发表了世界上第一篇关于核动力火箭的论文《火箭核发动机》，1949年发表了《利用核能的火箭和其他热喷射器》。

与传统火箭设计相比，核动力火箭具有突出的理论优势。航天飞机、运载火箭等火箭的发动机通过化学反应产生热气体，再通过排气管喷出气体来发电。但是即使是像液氢这样的燃料，其能量也非常有限，所以火箭必须携带大量的燃料进行长途飞行。相反，一台核发动机只需要几公斤裂变铀就能产生巨大的热量。在反应过程中，气体被加热至高温，从火箭尾部喷出，产生推力。推进剂不像传统火箭那样燃烧，它只是膨胀得很快，然后喷射出来，就像水蒸气从锅里冒出来一样。这使得核动力火箭的驱动力比最强大的传统火箭更强。

2019年8月23日《科技日报》报道，美国计划开发核动力航天器。美国近日表示，将开发下一代核热推进技术，利用核裂变反应产生的热能推进航天器进行深度空探测。美国国家航天委员会成员雷克斯·格夫登表示，核动力发动机有望使航天器在三到四个月内到达火星，速度大约是传统化学动力航天器的两倍。宇航员很深。它们旅行的时间越长，接收到的辐射就越多。使用核动力航天器可以通过减少辐射来保护宇航员的健康。

三

人类登陆月球的预见

1947年钱学森晋升为麻省理工学院终身教授后，应麻省理工学院邀请，作了题为《费向太空》的学术报告。钱学森谈了火箭理论的发展和前景。在他的报告中，他预测人类将在30年内登陆月球。在当时，这是一个非常先进的科学理论。这份报告征服了各界人士，引起了轰动，并引起了美军的注意。钱学森的名气不仅限于科学界。钱学森的远见卓识让无数美国人惊讶地意识到，征服Tai 空的梦想正在变成尖端科学家手中具体可行的科学行动，这一天即将到来。1947年，《时代》杂志发表了关于钱学森的专题报道和照片，使他在美国人民中更加出名。

1969年7月21日，美国阿波罗11号实现了登月的伟大壮举，验证了钱学森22年前的预言。

四

“钱学森弹道”的概念在70年后成为现实

1945年，第二次世界大战结束前夕，钱学森是美国国防部科学顾问团成员和空陆军上校。他随老师冯·卡门教授来到德国，与许多德国火箭专家进行了深入交流。导弹再入大气层后弹回时，无法很好地控制方向。多次弹起后，导弹的精度会降低。钱学森的假设:导弹再入大气层后能否在大气层中滑行而不是飞出大气层？于是“助推-滑翔”轨迹的想法诞生了，后来被称为“钱学森轨迹”。

钱学森弹道

钱学森弹道结合了弹道导弹和飞航导弹的弹道，使其兼具弹道导弹的突防性能和飞航导弹的灵活性。与传统弹道相比，它有明显的优势，例如，它保留了飞出大气层的部分，从而可以将导弹加速到更大的速度。进入大气层后不反弹，很容易控制导弹。高空滑翔空大气位于地面雷达和卫星的盲区，更有利于隐蔽。滑行时导弹还有动力，可以灵活改变方向。

目前钱学森弹道的应用包括超音速打击武器和新型飞行导弹。美国的HTV-2和俄罗斯的YU-71都采用了钱学森的弹道，显著提高了导弹的突防能力和战斗力。

钱学森的《弹道学》为世界上许多国家的高超音速飞行器奠定了理论基础。几十年后的今天，世界军事强国都在按照钱学森的轨迹发展装备。钱学森的飞行轨迹在民用和民用飞机发展中的作用日益突出，具有重大的现实意义。

东风-17导弹

2019年国庆节展出的东风-17导弹预计速度为5-20马赫，射程约2000公里。速度快，轨迹不可预测，难以拦截。因为很多技术细节没有透露，不清楚钱学森的轨迹，桑格的轨迹，还是两者的改进。但是东风-17导弹凭借速度优势，可以无视大部分反导系统，是世界上最好的武打。

《中国航天》杂志发文称:

东风-17亮相后，网上很多人都提到了钱学森的轨迹。虽然外界对装备的诸多解读与实际情况不尽相同，但有一点是肯定的，那就是大家从未忘记你的远见卓识，你的大师风范，你对祖国的真诚。今天，我们将你们的许多想法变为现实。明天，我们将继续建设更美好的中国航天事业，世世代代努力。

五

航天飞机概念的前瞻性

1949年12月，钱学森在美国火箭学会年会上作了题为《火箭作为高速飞行器的前景》的报告。报告首次提出“火箭客机”的概念，在美国空之前就获得了轰动效应，为世界上第一架航天飞机的诞生奠定了理论基础。后来在第四届火箭协会上，他详细介绍了“火箭客机”的结构、飞行原理和燃料，为后来的航天飞机和运载火箭奠定了理论基础。钱学森的火箭理论震惊了美欧。他们对中国年轻科学家提出火箭客机的新概念感到惊讶。

钱学森提出的这一科学思想，在美国科学界引起了极大的轰动。有人称赞他是“科学天才”，但也有人说他“疯了”。当时美国各大媒体高度评价钱学森和他对航天飞机的构想。《纽约时报》称他为“有价值的中国科学家”，“美国火箭领域最有才华的科学家”。《洛杉矶时报》称他为“世界顶尖火箭专家之一”、“喷气推进领域最炙手可热的科学家”、“最杰出的权威”、“美国培养的火箭天才”等等。这些报道源于钱学森的“火箭客机”构想，即在空之间穿梭穿梭的概念。

在1962年出版的《星际航行概念》中，钱学森再次阐述了以装备喷气发动机的大型飞机为第一级航母，以装备火箭发动机的飞机为第二级航母的空地穿梭系统的概念。至于喷气发动机，他提出“先用涡喷发动机起飞，当高度超过10km，飞行速度达到音速两倍以上时，再启动冲压发动机，继续爬升加速至极限，然后第二级火箭从第一级火箭起飞”。随后，许多国家详细研究了钱学森提出的概念。事实上，钱学森的概念是美国航天飞机的雏形。80年代初美国研制成功的航天飞机，是钱学森独创的概念。这是一个完全被证实的科学技术发展预测。

采用大推力运载火箭和航天飞机是两条不同的航天技术路线，并不是说哪项技术先进或落后。目前世界上拥有航天技术的国家中，美国采用钱学森首次提出的航天飞机的航天技术路线，而中国、俄罗斯和欧洲国家则采用运载火箭的技术路线。

除了上述提到的核动力火箭和航天飞机概念，钱学森还在20世纪40年代至60年代初提出了火箭和航天飞行领域的一些重要概念。比如1948年，钱学森向大家展示了他对超音速飞机的设想:火箭助推-重返大气层，滑行。用这种方法，飞机可以在1小时内从纽约飞到巴黎。钱学森还画了一幅画来展示他的想法。

当时被称为“神奇火箭理论”。这一理论震惊了美国公众。纽约等城市的各大报纸纷纷报道，刊登了钱学森的照片，还出版了一本相册，里面有他设计的火箭图片。1953年，钱学森研究了行星际飞行理论的可能性，提出了在卫星轨道上起飞的可能性。他的先进思想和科学远见已被后来航空空航天技术的发展所实现。

六

“空日机的预见”

20世纪80年代末，钱学森在航天高技术领域再次提出了新的展望。1989年9月，钱学森在《珍惜“两弹一星”成功经验》一文中提出了一个非常具体的想法。他觉得应该从长计议，看到21世纪中叶。如果我们看得更远，我们可以看到在21世纪中叶，到那时，我们要做的事情将比我们现在想象的要高得多。这是什么？它是一架真正的空-天飞机，是一种从地面水平起降的运载系统。即使在21世纪初，我们的国力也未必能做到这一点，也没有那么多钱。当然，这个问题极其困难，因为实际上需要建造一架速度是音速25倍的飞机。美国人曾经有一个雄心勃勃的计划，他们计划在1993年制定第一个计划。然而，美国科学家担心这是不可能的。因为这里的问题极其复杂，就材料而言，那里需要的材料都是新的。发动机动力系统与机体系统如何结合？这也是一个全新的问题。还有很多其他问题。因此，在卫星技术直接服务于国民经济和社会主义建设的主战场上，要着眼于21世纪中叶真正的高技术，做好预研工作。这个项目的前期研究并不容易，需要350年。这样，到下个世纪中叶，我们可能在空天就能在飞机技术的某些方面达到世界先进水平，所以我们有资格加入国际合作。总之，一定不能目光短浅，任劳任怨，在国家耗费大量的人力物力。到21世纪初，我们无法向人们解释一个家庭消除了什么。

1993年7月23日，82岁的钱学森在给航天技术专家黄植诚的信中再次写道:“希望中国的航天事业能赶上别人。21世纪的中国人必须在空的飞机上展示自己的才华，这是国家大事！”

七

新能源汽车发展前瞻

如今，发展新能源汽车是中国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路，也是应对气候变化、促进绿色发展的战略举措。值得注意的是，钱学森早在28年前就预见到了新能源汽车的发展前景。

1992年8月，钱学森致信时任国务院副总理邹家华，建议中国汽车工业跳过汽柴油阶段，直接进入减少环境污染的新能源阶段。当时美国、日本、欧洲已经开始研究高效电池，钱学森希望中国能力争领先，避免环境污染。在钱学森给邹家华副总理的信中，他的主要观点是:中国从1992年开始可以从汽柴油阶段直接进入新能源电池阶段；2020年，中国汽车产量将达到1000万辆；当时镍氢电池一次充电250-300公里，具有一定的实用性；哈尔滨工业大学的教授们已经在开发新的电池技术。如今，各国政府和汽车公司逐渐意识到发展新能源汽车产业将是节能减排、解决环境污染的最佳途径。从汽车产业的发展来看，新能源汽车产业的快速发展已经成为不可逆转的趋势。

2020年11月2日，国务院发布《新能源汽车产业发展规划》。规划已经敲定了未来几年新能源汽车的发展目标:到2025年，我国新能源汽车的市场竞争力将显著增强，新能源汽车销量将达到新车总销量的20%左右。高度自动驾驶汽车将在有限区域和特定场景实现商业化，充换电服务便利性显著提升。

因此，回顾过去，钱学森的远见卓识充分看到了30年后的祖国。事实上，“强大空”的想法直到现在都不是“预言家”，因为国产电动汽车发展到现阶段和当初发现的燃油车一模一样:落后、迷失方向、可能合并。现在，随着时代的不断发展，这个跨越28年的预言正在慢慢变成现实。比如2019年中国汽车销量达到2500多万辆，远超钱学森的预测，说明中国的前进速度已经超出预期；此外，钱学森还指出，中国汽车产业要直接跨越汽柴油阶段，直接进入电池新能源新时代。现在，中国的电池技术确实已经处于世界领先水平。

钱学森28年前“深谋远虑、精准无比”的洞察力，也让美国SpaceX公司CEO埃隆·马斯克佩服不已。据说钱学森是马斯克最崇拜的人，他参与建造了美国喷气推进实验室。于是，在2012年12月11日，钱学森诞辰101周年之际，大洋彼岸的美国SpaceX公司专门发了一条微博纪念他。起源是1948年，钱学森出任美国加州理工学院喷气推进中心主任，引起了当时众多美国媒体的关注。《洛杉矶时报》以“钱学森博士:加州理工学院喷气推进中心主任”为题进行了报道。由埃隆·马斯克于2002年6月创立的美国运输公司SpaceX从美国宇航局和JPL继承了大量的太空技术。因此，SpaceX向钱学森致敬也就不足为奇了，钱学森为美国航天乃至世界航天做出了巨大贡献。

八

高技术发展前瞻

20世纪80年代初，当信息革命向我们走来的时候，钱学森敏锐地意识到，“在当今的信息时代，科学技术，特别是高技术，已经成为提高社会生产力、推动社会在生产过程中快速发展的重要力量。高技术已经成为世界各国竞争的焦点，它将引起各方面的深刻变化。”现在，时隔近40年，让我们重温钱学森关于高科技发展的睿智预言:

01

这将是一项迅速发展的科学技术。走在世界科技前沿的国家，将集中人力、物力、财力，争夺当代最先进的科技，在新兴科技领域取得一系列新的重大突破。新的生产技术、新的生物物种、新的材料合成、新的信息、能源、运输结构以及对宇宙中自然现象的新认识将对世界的发展产生深远的影响。人们的意识形态、生产方式、社会秩序和生活方式都将发生前所未有的新变化。

02

它将是一门与经济发展高度融合的科学技术。高科技R&D和高科技产业将成为世界经济竞争的主要因素，并将对传统产业产生重大影响。经济发展对科学技术的依赖大大增加。商品构成中包含的技术因素和技术发明中包含的科学因素也非常密集。

03

这将是一个全球性和相互依存的科学技术。因为现代科学技术是在世界最新科技成果的基础上发展起来的，很多重大项目的技术强度越来越高，技术的发展也越来越多样化，世界上没有一个国家能够凭借自己的力量解决竞争和发展中的所有技术问题。一些影响人类社会的重大问题，如环境问题和资源问题，已经成为全球性问题。因此，建立独立完整的科技体系的想法已经过时。国际科技分工与合作将日益深化。世界将生活在相互依存和竞争的环境中。

04

它将是一门科学、技术、经济、社会和环境日益协调发展的科学技术。衡量一个国家的现代化水平，不仅体现在经济技术发展水平上，还体现在社会、环境、教育、文化的协调发展上。人们将更加关注生态平衡、环境保护、社会公平、教育、文化和医疗共享，消除科技发展带来的社会和心理危害。人们将努力使科学社会化和社会科学化并行发展。

05

这将是一门自然科学与社会科学和哲学相结合的科学技术。在一定意义上，世界经济中的科技竞争将转变为管理思想、发展战略和科学决策的竞争。谁在理念、领导力、科学决策上有优势，谁就占据战略制高点，赢得竞争。人们期待21世纪成为和平与发展的世纪。这种前景并非不可能。但必须看到，竞争永远不会停止，而且会变得更加激烈，尤其是经济和技术的竞争，这将是另一种形式的生死搏斗。

九

第六次工业革命的前瞻

1984年，钱学森在中国农业科学院作学术报告，指出由于生物科学技术的发展，人类社会将会发生一场新的工业革命。按照他的观点，这是人类社会发展史上的第六次工业革命。这是一个重要的科学预言，将揭示科学技术与人类社会发展的关系。

钱学森认为，以微生物、酶、细胞、基因为代表的生物工程在21世纪将发展成为以动植物工程、药物与疫苗、蛋白质工程、细胞融合、基因重组为核心的生物工程产业，其产业化将创造高效生物质，从而引发新的产业革命。这是即将到来的第六次工业革命。这是生物科技飞速进步所带来的生产力乃至整个社会的巨大变化。这场工业革命的本质是以阳光为能源，利用生物水和大气，通过农、林、草、畜、禽、菌、药、鱼，加上工、贸，形成新的高度知识密集型产业，即创造一个大的农业产业:包括种植业、林产业、草业、海洋产业等。它的主战场不是在富裕的城市，而是在贫穷的田野、山脉、草原、海洋和沙漠。这样一来，第一产业和第二产业除了产品不同之外，在生产方式上就没有实质性的区别，即工业和农业的区别被消除了，两者结合成为了物质信息产业。

从第六次工业革命的内涵来看，它不是发生在大城市，而是发生在农村、山村、渔村和偏远的沙漠地区。随着这场工业革命的发展，所有这些地方都将被改造成小城镇。第六次工业革命的另一个直接社会效应是消除了几千年来人类历史上形成的城乡差别。此外，随着第六次工业革命的到来，也将引发人类历史上餐饮业的一场革命。随着人类科学的建立和发展，将有可能确定不同年龄、不同性别、不同生活条件人群的合理营养需求结构。此外，利用生物技术大幅拓展的餐饮原料，可以设计出人们需要的各种饮料和食品，并采用工业化生产方式进行加工生产，从而形成真正的快餐产业，将人们从千百年来家庭厨房的经营中解放出来，极大地改变人们的生活方式。

建设知识密集型农业。面对现代科技革命快速发展的新形势，钱学森站在唯物史观的立场上，根据生物科技的最新成果，从中国的具体实际出发，深入考察了生物科技革命与中国农业现代化的关系。钱学森作了深刻的阐述，预言了21世纪的社会发展趋势，认为第五次工业革命之后将会有“第六次工业革命”。这是一场以现代生物技术为核心的伟大农业革命。规模化农业的提出，为我国规模化体制改革提供了重要的理论依据。

十

第七次工业革命的远见

作为一个有战略眼光的科学家，钱学森有一个非常充分的概念。他在预言第六次工业革命的同时，也大胆地预言了21世纪将出现的第七次工业革命，即包括医学、生命科学在内的人体工业革命:人如何更好地认识自己，更健康地生活。这也会引起社会的变化。

钱学森认为，人类科学在21世纪将会有很大的发展。人体机能的提高将极大地提高生产力三要素中最重要、最活跃的劳动力的素质，其影响将渗透到各行各业，这无疑将引发一场工业革命，即涉及人的身体构造的第七次工业革命。

对于像人体这样一个开放而复杂的巨系统，单靠传统的还原论无法完全解决问题。需要加入系统科学中发展起来的定性定量综合集成方法，综合中医、西医、民族医学、中西医结合、运动医学、民间民间偏方、气功、电子治疗仪等的实践经验。千百年来，又总结出一套科学全面的现代医学，即综合集成医学。这种药包括治疗疾病的第一种药、预防疾病的第二种药、修复缺陷的第三种药和改善人体功能的第四种药。这样才能科学系统地构建人的体质，人的体质和人体机能都会有很大的提升。钱学森还特别指出，建立综合集成医学的核心措施是利用第五次工业革命发展起来的信息技术，建立医学信息网络。当然，为了适应这样的医疗方式，需要改造现有医院的组织结构，建立新的医院和新的医疗卫生体系。这为医疗卫生事业的革命开辟了一条新路。

十一

新中国成立100年中国繁荣的前瞻

钱学森永远不会忘记社会主义中国的繁荣和中华民族的伟大复兴。钱学森说，500年前的欧洲文艺复兴创造了资本主义文明。21世纪，人类要想继续生存和发展，就要开始第二次文艺复兴，这将首先在社会主义中国实现。

早在1979年，钱学森就发表了《组织管理社会主义建设的技术——社会工程》一文，将系统工程组织管理的思想和方法扩展到社会组织管理，提出了国家组织管理的技术问题，系统论述了社会工程的对象和任务，认为社会工程是改造、建设和管理社会的科学方法。钱学森指出，我们党制定的发展战略在建国100周年达到了世界先进水平，似乎剩下的时间不多了。要完成这条路，靠经验探索是不可能的。不能再犯错误，或者尽量少犯大错误，所以一定要有远见。这种远见来自科学！这门科学就是系统科学！它是预测、组织、管理、决策和领导的现代科学方法，即系统工程方法。

1987年钱学森访问英国时，在伦敦给部分中国留学生做了演讲。他说:在共产党的领导下，全国人民团结起来，为建设社会主义而奋斗。现在的问题是如何建设我们的社会主义。我们不仅要看到80年代，还要看到本世纪末。这还不够。因为到了2000年，我们的人均GDP仍然落后于世界发达国家，而且要到21世纪中叶。离现在还有六七十年。我是一个老人。我看不到。希望你能看到。我们应该争取一个和平建设的时期，抓住这个机会，推进我们的社会主义建设。到中华人民共和国成立一百周年，我国人均产值可接近目前世界先进水平。别忘了这是10亿人口的中国人的水平。当时，中华人民共和国在世界上是不可战胜的。