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１９３６年，钱学森参加马林纳领导的火箭研究小组，在冯？卡门指导下，与马林纳等一起研究火箭发动机的热力学问题、探空火箭问题和远程火箭问题等，并参与了美国早期用可储存液体推进剂的几种试验性火箭，如１９４５年“女兵下士”探空火箭和后来的“下士”导弹研制工作。
１９４９年，钱学森担任加州理工学院新设的古根海姆喷气推进中心主任及“戈达德”教授，专授火箭技术及喷气推进技术课。
从４０年代到６０年代初期，钱学森在火箭与航天领域提出了若干重要的概念：在４０年代，提出并实现了火箭助推起飞装置（ＪＡＴＯ），使飞机跑道距离缩短；在１９４９年，提出了火箭旅客飞机概念和关于核火箭的设想；在１９５３年，研究了行星际飞行理论的可能性；在１９６２年出版的《星际航行概论》中，提出了用一架装有喷气发动机的大飞机作为第一级运载工具，用一架装有火箭发动机的飞机作为第二级运载工具的天地往返运输系统概念。
工程控制论
钱学森亲身经历了流体力学作为一门技术科学，怎样从空气动力工程师、水力工程师、气象工程师以及其他有关领域工程师的工程技术实践中分离出来的过程。由于有了流体力学提供的理论与方法，上述领域的工程师们才能在他们日常的工程技术实践中分享流体力学研究成果。至少可以说，如果没有流体力学提供的理论与方法，那么对超声速流动的了解与利用肯定会大大延迟。站在这样的科学思想和方法论高度，钱学森在４０年代末、５０年代初对第二次世界大战后迅速发展的控制与制导工程技术实践进行全面观察时，具有比旁人更敏锐的眼光去发现、提炼出指导控制与制导系统设计的普遍性概念、原理、理论和方法，从而创建了作为一门技术科学的《工程控制论》，就是十分自然的事了。
工程控制论在其形成的过程中，把设计稳定与制导系统这类工程技术实践作为主要研究对象。钱学森本人就是这类研究工作的先驱者。１９５１年，钱学森研究了一种探空火箭的最优推进的设计，即求探空火箭的最优弹道问题，要求提出一条理想弹道，在相同的燃料消耗条件下，使火箭达到的高度最大。由于这种弹道很长，而弹体上控制系统的动作速度相对于这条最优弹道来说是足够大的，钱学森在考虑最优弹道的选择时，把弹体看成是其重心（质心）的运动，而略去刚体运动及弹上控制设备的运动规律，成功地实现了古典变分法对这类问题的应用。钱学森从这里提炼出一种普遍性的看法：针对在整个运动过程中受控对象本身的特性并不重要，重要的是运动规律全局情况，即可以不考虑受控对象的运动方程式的情况下，古典变分法给控制系统设计提供了一种理论与方法。
在１９５２年，钱学森研究过有时滞的线性系统的一个特例。这个特例就是利用反馈控制的方法使火箭发动机中的燃烧过程稳定。钱学森在“火箭喷管的传递函数”的研究工作中，为了使计算简单起见，假设了只使用一种液体燃料的情形。如果燃烧室中可能发生的振荡频率相当低，就可以把燃烧室内的压力看作是均匀的，而且钱学森作了第一次近似，把流过喷口的气流看作是似稳的，即在任何一段不太长的时间间隔内都可以看作是平稳的。钱学森引入了Ｌ．克洛科（Ｃｒｏｃ－ｃｏ）的压力与时滞相关的概念，以及明确地引进离开均匀稳定状态的微小扰动概念，成功地建立了描述燃烧室压力变化规律的方程，并进而研究了时滞系统的运动规律。
弹道摄动理论在变系数线性控制系统设计中的应用，也是钱学森的早期研究成果。应用弹道摄动理论的本来目的，只是计算飞行器弹道相对于标准弹道的微小修正量（这种修正是由于飞行器的重量与标准值之间的误差、大气状态的改变、风的扰动作用等因素引起的）。由于现代大型快速电子计算机的出现，完全可以分别地直接计算每一条受扰的弹道，所以弹道摄动理论在弹道计算上的用处也就随之消失了。然而，变系数线性控制系统的设计问题却恰好可以应用弹道摄动理论。Ｒ．德瑞尼克（Ｄｒｅｎｉｋ）在１９５１年研究过这种理论对远程火箭控制问题的应用。但是，钱学森在１９５２年发表的《长射程火箭飞行器的自动导航》研究结果，不仅比德瑞尼克的结果更完善，而且包含了自动导航的内容。
第一版《工程控制论》原是用英文写的，１９５４年由麦克劳？希尔（ＭｃＧｒａｗ－Ｈ出）图书公司在美国出版。此后，俄文版于１９５６年，德文版于１９５７年，中文版于１９５８年相继出版。书中所阐明的基本理论和观点，一方面奠定了工程控制论的基础，另一方面指出了进一步研究的方向，对自动化科学技术理论的进展起了重要作用。原书中、英、德、俄等各种文版不断为世界各国科学技术工作者所引证和参考。到１９８２年，意大利数学家Ｇ．Ｐ．斯蔡格（Ｓｚｅｇｏ）在美国学术出版社出版的《经济分析中的量化新技术》一书中，还对钱学森在《工程控制论》中建立的理论方法有很高的评价。宋健和其他几位中青年控制论理论科学家根据钱学森的委托而完成的《工程控制论》（修订版）于１９８０年出版。工程控制论从深度与广度上推动了电子计算机技术革命、核能技术革命、航天技术革命和光子技术革命的发展。
钱学森（七）
物理力学
钱学森在１９４６年将稀薄气体的物理、化学和力学特性结合起来的研究，是先驱性的工作。１９５３年，他正式提出物理力学概念，主张从物质的微观规律确定其宏观力学特性，改变过去只靠实验测定力学性质的方法，大大节约了人力物力，并开拓了高温高压的新领域。１９６１年他编著的《物理力学讲义》正式出版。现在这门学科的带头人是芶清泉。１９８４年，钱学森向芶清泉建议，把物理力学扩展到原子分子设计的工程技术上。
系统工程
钱学森以他在总体、动力、制导、气动力、结构、计算机、质量控制等领域的丰富知识，为组织领导我国火箭、导弹和航天器的研究发展工作发挥了巨大作用，他对中国火箭导弹和航天事业的迅速发展作出了卓越贡献。学术上最重要的贡献是发展了航天系统工程。
航天系统工程的起源，可以追溯到２０世纪４０年代。在４０年代，喷气推进实验室通过研究火箭助推飞机起飞装置开始，逐步从加州理工学院的一个工程研究小组演化成为航天工程研究组织。钱学森运用并发展了他在喷气推进工作中获得的经验，从５０年代后期中国航天计划开始实施的时候起，他就和广大干部、科技人员在周恩来总理和聂荣臻主任领导下，把当时苏联航空技术发展中的总体设计部和我国行政组织管理的实际结合起来，这也就是今天称为航天系统工程的组织管理。现在，中国的航天系统工程已发展到成熟阶段，它包括：
（１）由总体设计部对航天工程进行科学的技术管理（又称技术协调）。总体设计部由熟悉大系统各方面专业的技术人员组成，在总设计师的领导下，根据任务的要求，用系统分析的方法进行大系统指标论证、总体方案（包括技术途径、经济性和可行性）论证、流程设计和系统环境分析，选择总体参数和构形，以确定系统体系结构的组成、功能；从整个大系统的要求出发，提出各组成系统的设计参数和技术要求，将各组成系统结合成一个有机的整体，进行系统试验和系统使用方法的总体设计，提出各种试验和使用设施的技术要求，或对现有试验和使用设施提出采用或改造的建议。
（２）在整个航天系统工程过程中，采用建模与仿真技术。包括数字仿真和半实物仿真，以实现系统方案的整体优化、系统功能和结构的协调一致。
（３）计划管理机关用管理信息系统对航天工程实行科学的计划管理。这种有电子计算机的信息系统能够形成一高效的数据库，不断将各项工作的历史情况和最新进度显示出来，对经常变动的计划进展情况进行快速处理，使计划管理人员及时掌握整体计划的全面动态，发现薄弱环节，对拟采取的计划协调措施用网络模型和电子计算机进行模拟，预测措施的效果，为决策提供依据，选择人力、物力和财力的最佳调度方案。航天工程系统的总体设计机构和计划管理机关，形成航天工程计划领导人的参谋机构的整体，前者是航天工程系统总体概念、总体方案、总体设计技术协调措施科学性的体现者；后者是航天工程系统计划协调措施中科学性和人、财、物调度权力的体现者。
钱学森不仅将我国航天系统工程的实践提炼成航天系统工程理论，并且在８０年代初期提出国民经济建设总体设计部的概念，还坚持致力于将航天系统工程概念推广应用到整个国家和国民经济建设中，并从社会形态和开放复杂巨系统的高度，论述了社会系统。任何一个社会的社会形态都有三个侧面：经济的社会形态、政治的社会形态和意识的社会形态。钱学森从而提出把社会系统划分为社会经济系统、社会政治系统和社会意识系统三个组成部分。相应于三种社会形态应有三种文明建设，即物质文明建设（经济形态）、政治文明建设（政治形态）和精神文明建设（意识形态）。社会主义文明建设应是这三种文明建设的协调发展。从实践角度来看，保证这三种建设协调发展的就是社会系统工程。从改革和开放的现实来看，不仅需要经济系统工程，更需要社会系统工程。
系统科学
钱学森对系统科学的工作可以追溯到１９５５年。这一年秋天，钱学森和许国志一同把运筹学的“种子”从它的发源地美国带回了祖国。１９５６年，钱学森创建了我国第一个运筹学研究组，并把这个研究组作为他负责组建的中国科学院力学研究所的组成部分。钱学森和许国志通过这个研究组开辟了运筹学面向我国社会主义经济建设的发展方向。作为一个有远见的科学家，他在当时已预见到运筹学不单要研究现有武器装备的运用，而且更要研究未来武器装备的规划与运用。因此，他在国防部第五研究院创建了我国第一个军事运筹学研究机构——“作战研究处”，开辟了运筹学面向我国武器装备规划、论证的一个发展方向。这可以说是我国国防系统分析研究工作的起源。
从１９７８年春天开始，钱学森为促进运筹学、系统工