01 工程科學(xué)是基礎科學(xué)與工程的橋梁

工程科學(xué)不是新名詞，早在19世紀末20世紀初已經(jīng)形成并有其深刻內涵。

自然科學(xué)重在“探索”與“發(fā)現”自然界已經(jīng)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(xué)形成的知識體系并不能直接應用在工程科學(xué)中，這就產(chǎn)生一個(gè)如何用知識達到構建事物的問(wèn)題，從而需要有一個(gè)橋梁，這個(gè)橋梁就是工程科學(xué)。

工程科學(xué)的任務(wù)是要將自然科學(xué)應用在工程中，解決工程中提出的新理論及方法、技術(shù)問(wèn)題。

因此，按照錢(qián)學(xué)森先生的說(shuō)法 — —工程科學(xué)是自然科學(xué)與工程的橋梁，工程科學(xué)范圍很廣，例如應用數學(xué)、力學(xué)、電工學(xué)、材料學(xué)、建筑學(xué)、水力學(xué)、電子信息學(xué)、熱能核能學(xué)、化工學(xué)、儀器儀表學(xué)等都應屬于工程科學(xué)范疇。

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

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

他指出，工程科學(xué)家的任務(wù)有3個(gè)方面：工程方案的可行性怎么樣；如可行，實(shí)現這個(gè)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(xué)家與從事實(shí)用工作的工程師密切合作的需要，將產(chǎn)生一個(gè)新的職業(yè)— —工程科學(xué)研究者或工程科學(xué)家。

工程目標的構建重在集成，但并非要把科學(xué)家形成的知識體系直接照搬即用，在工程目標實(shí)現中仍會(huì )有一些理論、關(guān)鍵技術(shù)、方法、試驗等問(wèn)題需解決，工程中關(guān)鍵、短板問(wèn)題的解決要靠工程科學(xué)家創(chuàng )造性運用最新自然科學(xué)成果及所具有的工程經(jīng)驗，使工程目標得以實(shí)現，這是工程科學(xué)的任務(wù)與作用。

工程科學(xué)作為純科學(xué)與工程的橋梁，在整個(gè)工程目標的實(shí)現中不僅要有技術(shù)創(chuàng )新，同時(shí)也有理論或知識創(chuàng )新。

不同領(lǐng)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(gè)工程目標都是一個(gè)系統，涉及多領(lǐng)域多學(xué)科，所以工程科學(xué)要解決工程問(wèn)題需體現系統科學(xué)與工程思想及多學(xué)科的交叉與融合。

錢(qián)學(xué)森先生在20世紀70年代通過(guò)航天實(shí)踐提出的系統工程理論的思想，也是工程科學(xué)任務(wù)的應用與實(shí)踐。

可以用幾個(gè)例子進(jìn)行說(shuō)明：

第一個(gè)例子是固體火箭發(fā)動(dòng)機。過(guò)去固體火箭發(fā)動(dòng)機的燃燒室是由高強鋼做成的壓力容器，會(huì )出現打壓試驗時(shí)的低應力爆破，這是一個(gè)簡(jiǎn)單工程裝備問(wèn)題，產(chǎn)生問(wèn)題的原因是焊接時(shí)出現的裂紋，解決這個(gè)問(wèn)題，涉及力學(xué)理論、材料與焊接工藝3個(gè)方面：

第二個(gè)例子是工程裝備的結構效率問(wèn)題。對任何一個(gè)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(qián)學(xué)森先生在給中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)力學(xué)系學(xué)生講授“星際航行概論課”時(shí)有一句名言是“航天器一個(gè)零件減少一克重量都是貢獻”。輕量化是在給定的技術(shù)邊界條件下，實(shí)現所需功能的系統最小質(zhì)量化，并且確保整個(gè)產(chǎn)品生命周期內系統的可靠性。

解決這個(gè)工程問(wèn)題要從設計、制造與材料3個(gè)工程科學(xué)因素方面綜合考慮才能實(shí)現，設計是關(guān)鍵，先進(jìn)制造是保證，而高比性能材料則是物質(zhì)基礎。碳纖維增強的樹(shù)脂基復合材料應是首選材料，航天器材料已實(shí)現復合材料化，航空器正在努力實(shí)現結構復合材料化。

這正是工程科學(xué)的研究?jì)热?，要研究先進(jìn)復合材料在航空航天器能用、會(huì )用、用好，這需解決設計、力學(xué)、材料、制造等工程科學(xué)問(wèn)題才能實(shí)現結構復合化，進(jìn)而達到結構輕量化，從而提高結構效率。

第三個(gè)例子是高超聲速飛行問(wèn)題。這是人類(lèi)對時(shí)空運用的顛覆性技術(shù)。世界各科技大國均在進(jìn)行研究，從高超聲速的科學(xué)理論到工程實(shí)現，這中間有許多屬于工程科學(xué)的問(wèn)題要解決。

高超聲速飛行是在20~100 km的臨近空間飛行，這個(gè)飛行環(huán)境與空中及太空環(huán)境有區別，必須解決一些新的理論與技術(shù)問(wèn)題，例如高速空氣動(dòng)力學(xué)、先進(jìn)推進(jìn)理論與技術(shù)、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(wèn)題。

每個(gè)科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題都具有挑戰性，這里僅以新熱障問(wèn)題為例，高超聲速帶來(lái)熱障問(wèn)題與傳統熱障問(wèn)題不同，后者主要是鋁合金等金屬材料，在飛行速度達三個(gè)馬赫數左右時(shí)，飛行器表面溫度達300°C左右，金屬材料在此溫度下力學(xué)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(wèn)題。

而高超聲速飛行器表面溫度超1000°C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(huán)境，熱防護材料與結構，熱響應以及熱模擬試驗等一系列問(wèn)題，涉及力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)以及電磁學(xué)等學(xué)科交叉問(wèn)題。

上述3個(gè)例子所解決的理論、方法及技術(shù)等問(wèn)題，具有一定普適性，這也充分體現工程科學(xué)在工程中的重要應用。

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

根據聯(lián)合國教科文組織一項調查表明：人類(lèi)知識更新速度不斷加快，18世紀時(shí)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(jìn)入本世紀只有2~3年。

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

過(guò)去主要是解決有無(wú)問(wèn)題、是跟跑，很少領(lǐng)域達到并跑；至于領(lǐng)跑僅是極個(gè)別領(lǐng)域；許多領(lǐng)域以數量論均是第一，但大而不強。

重視工程科學(xué)，以實(shí)現關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控，并通過(guò)創(chuàng )新產(chǎn)生新的理論、方法和前沿技術(shù)，甚至顛覆性技術(shù)，使中國在重要的工程領(lǐng)域達到并跑與領(lǐng)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(guān)鍵，從事工程科學(xué)研究的科技隊伍，應提高科學(xué)理念與工程意識，重視工程需求，用科學(xué)（基礎科學(xué)）所形成的知識體系，通過(guò)創(chuàng )新解決工程中所提出的理論、方法、技術(shù)等問(wèn)題，產(chǎn)生原創(chuàng )性成，從而為科技強國夢(mèng)的實(shí)現做出貢獻。

來(lái)源：科技導報