《钱学森文集》中英文版(以下简称《文集》)由上海交通大学出版社出版了。其中英文版部分是王寿云(1938-1997)编的《钱学森文集1938-1956》(科学出版社,1991)在修订基础上的再版,中文版部分则是首次与读者见面。
钱学森先生留美时期正值航空工业从低速走向高速和航天工业起步的阶段,需要解决众多极具挑战性的科学问题。钱先生在这些相关领域内,提出和解决了一系列关键问题。文集刊载的论文既是这个进程的记录也是客观的见证。
飞机以及更广泛意义上的飞行器,从低速向高速发展首先遇到的是空气可压缩性对气动力的影响问题,即可压缩流体动力学问题。1939-1946年间,他发表的研究成果主要属于亚声速领域。同一时期他的研究还包括弹性力学中的壳体稳定性问题。
在流体力学领域,他的重要贡献有三个方面。首先,他研究了可压缩性带来的两个最基本的效应,即热效应和波阻效应,给出了波阻与摩阻的比例,指出这个比例会随马赫数增加,另外还给出了气流从对飞行体冷却转化为加热的判据。第二方面是他根据导师von Kármán的建议,研究了在较低马赫数条件下,可压缩性对机翼升力的影响。他所得到的用来对机翼升力作出修正的公式,后来被称为著名的Kármán-Tsien公式,它在当时直接对飞机的设计起了重要作用。第三,他在前人研究的基础上,研究并证实了,在轴对称和一般条件下,理想流体流动的局部超声速无旋流场中出现极限线后,必然出现冲击波,使全局性连续无旋流场不能继续存在。这时的来流马赫数被定义为上临界马赫数,以表明这是可能存在连续无旋流场的最高马赫数。之后在与郭永怀先生合作的论文里,提出了理想可压缩流体绕流流场的严格解法,定量地求得了上临界马赫数。流场中一旦出现冲击波,机翼的阻力马上就增加,上临界马赫数是与最小阻力相对应的,因此不论在理论上还是在工程师设计的理念中都是个重要的概念。
优化壳体结构是减轻飞行器的有效途径。在上世纪30年代,一个困扰航空结构工程师的严重问题是带曲率薄壳结构的稳定性,因为当时所有理论预测的失稳临界值都远大于实验值,这使工程师们陷于没有理论可遵循的困难境地。作为空气动力学的专家,在取得博士学位后,钱先生便把注意力转向这个弹性力学方面的难题,算是他出师后第一项独立的工作。在一连串论文中,他和von Kármán首先确认这是一个具有多个平衡位形的非线性问题,建立了相应的方程;结合实验观测,第一次用能量法得出了接近实验值的临界判据。由于对这类非线性失稳现象所做的深刻分析和计算方法的实用性,这一系列研究成果对当时的力学界和航空界产生了很大的影响。
上述研究成果为钱先生在国际力学界和航空界赢得很高的声誉。