《钱学森文集》——卷一（017）

钱学森 2026-02-26 来源:八号院研讨厅微信公众号

现在企业的自动化正在开始，无人工厂还没有出现，所以我们还处在第二次工业革命的前夜，明天才是超高速飞行、星际航行、无人工厂、自动化办公室和图书馆的时代。

编者按：为满足广大钱老现代科学技术体系研究者需要，即日起，转发《钱学森文集(1-6卷)》中的文章，按照原书编排顺序，每次转发一篇文集文章，供大家学习参考。

注：相关资料仅供研究学习用，不得用于商业目的。

从飞机、导弹说到生产过程的自动化*

*收录于科学普及出版社 1956 年 10 月出版的《科普活页资料》。

一、飞机的发展过程

飞机的迅速发展只不过50年的历史。我们知道：飞机所以能飞，是靠膀，有翅膀才有升力。翅膀面积大、飞行速度高，升力就大，但是飞机所受的阻力也就加大，所需要的动力也就增加，这样飞行的速度就有了限制。也因为同样的缘故，翅膀有一定面积的飞机不能飞得太慢，飞得太慢了升力就不够，就要从空中跌落。所以飞机有一个最大速度，也还有一个最低速度。飞机初发明的时候，因为动力小，它的最大速度很小，和最低速度差不多一样大。因此，能飞10尺高，二三十尺远，就算是很大成功。飞机是在这样很简陋很困难情形下开始的。以后逐步加以改进，这种改进有几个方面：一个是在空气动力方面，改进翅膀形状，增加升力，一面又要减少阻力。减少阻力的办法是使外露的部分简单和流线型化。早年，飞机有两层翅膀，再早有3层、4层的，支架也很多。现在不同了，飞机只有一个翅膀。这些发展都尽量改进飞机的外形，减少阻力，提高空气动力的效率。另一方面是把飞机做得更结实，改良它的材料和结构。早年，飞机是木结构，包上布喷上漆。初步的改进是在第一次世大战以后，用钢架代替了木架;但仍包布喷漆。后来不用包布喷漆了，用钢架千层板。直到1930年以后才有了更进一步的改进，开始制全金属飞机。用的金属是铝合金，在工程学上叫硬铝(图1)。

图1飞机形状的改变—从第一架飞机(莱扎伊斯基设计)到现在的喷气式飞机

所有这些改进的目的都是使飞机能飞得更快，但是一个基本问题仍然没有解决，那就是推进力量的问题。这个问题的重要性是早就被航空家所注意了。怎样衡量推进的力量呢?那可以从每产生1匹马力的动力需要多少重量的机器来衡量。因为减轻重量和飞机效率的关系很大。轮船上的蒸汽机，发1匹马力，就要有20多千克重。对飞机来说，这样就太重了。早年曾有人考虑在飞机上用蒸汽机，但那太重，不行。后来用内燃机，经过很大改进，发1匹马力还要5kg重。直到1930年以后，做到发1匹马力只要0.5kg了。到这时旅客机速度达300km/h，军用歼灭机达400km/h，而在30年代世界飞行速度竞赛的冠军飞机的速度达600km/h。到1939年，德国的一架空军飞机得了锦标，速度每小时700多千米(那些飞机不带客货，才能达到这速度)。在这个时期里，航空界流传一句话，飞机速度到了顶点了，超过700多千米再向前发展就难了。因为再要快，就要接近声速了，也就是要达到1000km/h，而愈接近声速，阻力就愈大，要花很大动力去推进飞机。装上内燃机的飞机，用活塞带螺旋架，从整个机组重量来说，每发1匹马力就要1kg，也就是说在一定重量的限度内，动力不够大，不可能使飞机接近声速，因此那时的航空工程师说，声速好像一堵墙，飞机不能超过这垛声速的墙。那时代可以说是航空技术的黑暗时代。但就在那个时候，空气动力学家早已算出机翼在超声速下所受的力;他们也已经在试验室得出这方面的资料。那是把飞机模型放在风洞里(风洞就是一个大管子，用鼓风机吹风，风的速度就由鼓风机来控制。这样就把飞机与风的关系倒过来，飞机不动，风动，而空气对飞机的作用，和飞机动、风不动时是一样的)。在模型支架上可以测量出飞机各部分所受的力。可以说超声速飞机所受的力的问题，理论上和实验上都已经有了答案，问题就是没有能发生巨大推力的、轻的机器。

这是第二次世界大战前的航空界的情况。

二、喷气式飞机

在第二次世界大战里，航空动力方面有了很大改变，创造了喷气式推进机。喷气式推进机和活塞带螺旋桨的有什么不同呢?在基本原则上它们是一样的，都是把气体向后推，飞机就向前进。这个科学原理就跟用桨划船一样，桨把水向后推，桨受到反作用，就带动着船向前去。螺旋桨把空气向后推，空气把飞机向前推。不同的是喷气式推进机所推后的那股气流通过内部机件，而螺旋桨所推后的空气不经过内部。喷气式飞机把空气从机头吸入机身，经过空气压缩机把空气压力提高(图2)。空气压缩机的作用和离心式的水泵一样，但比水泵转得快，水泵每分钟几百转，压缩机每分钟约7000转以上。被压缩的

图 2 轴向压缩机式涡轮喷气式发动机简图 (图下曲线表示发动机内部燃气的压力、速度的变化情形)

空气，通到燃烧箱，使喷进的煤油燃烧，温度更高，用这样高温高压的气体，吹动了涡轮，所产生的动能，正好能转动空气压缩机;所以涡轮的动能在机件内部就消耗掉了。但通过涡轮后的空气，温度压力还相当高，就在尾管中膨胀，从尾管中喷出去的气体速度很高。所以对总的推进系统来说，进气慢，出气快，就等于把空气朝后推，因此空气就把飞机向前推。这是用空气压缩机的喷气式飞机，也就是涡轮式喷气推进机。还有一种喷气推进机是不要空气压缩机和涡轮的。我们可以用下面一个比拟来理解它：假如一艘船在水里走，水冲击船头，水位迎着船头向上升，船头的压力就增大，这就是说流体的速度的改变，会改变压力，流速小，压力就大。空气流动时也有同样情况。这种喷气推进机的整个机器就是一条开口管子，进口比较小，随后管子就粗了，飞机从机头吸进空气后(图3)，进入管子比较粗的部分，空气就流得慢，压力就增高，然后喷入油料，燃烧加热，再从出口喷出，喷出去速度比吸入速度大，因此也能推动飞机，这就叫做冲压式喷气推进机。此外也还有不用吸入空气的喷气式推进机，它自己带了液体氧和燃料，可以在机器中燃烧，得到高温高压的气体，再喷出去，这就是火箭。德国的V-2火箭就带了酒精和液体氧。喷气推进机和活塞式比较起来，机件比较简单，也比较轻。早期的涡轮喷气式推进机，就可以做到每一匹马力0.5kg重，现在做到1/10kg，而活塞式1匹马力就要1kg，这就是说同重量的机器，喷气式的比活塞式的力量大10倍。因此就解决了活塞式不能解决的加大动力问题。飞机速度也可以大大地提高了。第二次世界大战中叶开始试验喷气式飞机，末期方出现了军用喷气式飞机，以后几年发展很快，最早期的喷气推进机的推力只有500kg，现在已到10000kg，而歼灭机的速度，到现在已经比声速高，1500km/h左右，比第二次世界大战前700km/h的最快飞速，增加一倍多，这是很大的进步。现在实验和试造的飞机已达2000km/h。轰炸机还没有达到声速，可是设计中的轰炸机要超过声速。

图 3 冲压式空气喷气式发动机简图(图下曲线所示系发动机内部燃气的压力、速度的变化情形)

这是50多年来飞机的发展的情况。

从另一面来看，军用的喷气机的速度超过了声速，也就显示出它内在的矛盾，产生了消灭它自己的条件。原因是这样的：歼灭机的速度到了1500km/h，人能否受得住呢?人对速度本身没有什么反应，例如地球绕太阳转的速度远比声音的速度快得多，可是在地球上的人类却毫无感觉，但人们对加速度的反应却很大。歼灭机跑得很快，转弯就得转大弯，如果转小弯，就会脑中失血、晕眩，看不见东西;下冲加速太快，也会脑充血、晕眩，看不见东西。速度再加快就转不过弯来，歼灭机就失去了作用。另外因为飞机太快了，人脑反应就跟不上，两个飞机对着飞，还来不及瞄准就过去了。无法瞄准，就无法打仗，这样的飞机就没有战斗的效能。在轰炸机方面，高速度所需要的动力很大，因此燃料的消耗也很大，10000kg推进力的喷气推进机的用油量，一秒钟就要几千克，因此超声速轰炸机跑3000km，投了弹，再飞回来，来回6000km，燃油量就大成问题。苏联旅客机TY 104，飞行航程最远4000km，速度每小时800多千米，还低于声速。轰炸机想跑得更快，又带上炸弹和人员，就不能飞远，否则就要中途加油了。军用喷气飞机，发展到现在只不过10多年，已经发现了这些困难。有人甚而至于说现在的歼灭机是最后一代了，而轰炸机也只不过再有一代。这句话虽然未免言之过甚，但也有它一面的道理：问题的关键都在于驾驶人，对歼灭机来说，如果没有驾驶人就可以不考虑加速度的极限，飞行速度再快些也不会有问题。对轰炸机来讲，没有人就不需要飞个来回，单程就可以了，燃料问题也就减轻一半。那么没有驾驶人员的飞机是什么呢?那就是导弹。因此我们也可以肯定地说：战斗用的军用飞机终究是要被导弹所代替的，只不过是时间迟早的问题。到那个时候，飞机在军事应用上就只是一个运输工具了——自然是一个很重要的运输工具!

三、导弹和它的自动控制

导弹上没有人，这就要用自动控制。现在世界各国都在用很大的力气发展导弹，导弹上犯不着用涡轮式推进机，因为涡轮式机件复杂成本高，导弹只用一次，到达目标后，一炸了事，不必考虑机器的经久而用，所以不如用冲压式喷气机或火箭来推进。后面两种在性能上也有分别，冲压式需要空气，如飞得太高，高空的空气稀薄，就不能吸入足够的空气，所以冲压式喷气机不能到达真正高空。在高空就要用火箭。因为火箭自己带有氧气，就不怕高空空气少。也就因为它除燃料外还需要消耗氧气，所以它每单位拉力所需要的燃料重也就比较大，因此在导弹上我们也该尽可能地用冲压式喷气机。这说明了导弹和飞机在动力设备上有所不同。导弹有好几种，它可以根据从什么地方放出和到达什么目标来分类。有的导弹在空中放，有的在地上放;有的是打空中的目标，有的是打地上目标。因此共分4种，就是：从空中到空中;从空中到地面;从地面到空中;从地面到地面。空中到空中的是歼灭机使用的武器，飞机速度高了，枪炮打不准，用歼灭机带导弹在远处放，再用自动控制设备让导弹自动去找目标，就可以补救现在枪炮的缺点。从空中到地面或海面的一类中，有一种比较简单的可控制的导弹，这种导弹等于一架小飞机，它无人驾驶，但弹头有电视，可把地面情况传到另一架飞机或地面上的控制站。控制站根据情况，再发出信号控制导弹的飞行。从地面到空中是防空导弹(见图4)。因为高射炮只能打到1万多米，而喷气机可飞达1.8万米以上，以后还可能达到2万多米，因此高射炮就打不着它，要靠防空导弹来打。从地面到地面的导弹(见图5、图6、图7、图8，图9、图10)，其中远射程的就是所谓洲际武器，是一个很大的火箭，也就像炮弹一样无翅膀完全靠速度大来达到距离远的目标。最近苏共第20次代表大会中朱可夫的发言提到它。它实在就是2或3节接力式的火箭，一个大火箭顶着小火箭，大火箭先放，获得一定速度以后，扔掉大火箭，点上小火箭，使它得到更快的速度。这样射程就可以达到6000km，甚至10000km，速度达到声速的15至20倍。比这类洲际武器小一些的是单节火箭，是和V-2火箭同一类型的，它们的射程小些，约有600km到800km。

图 4 美国乃经防空导弹的发射装置和起飞状态

图 5 V-2 火箭到达发射点后，可以利用运输车架竖起

图 6 不装燃料的 V-2 火箭在公路上运输

图 7 V-2 火箭可以在铁道特备车上发射

图 8 火箭内部构造

这类火箭有什么好处呢?和轰炸机来比，它比较灵活，不需要飞行场，因为它可以从地面垂直起飞，达到相应速度以后转向目标，只要用一个卡车带一块大铁板，把铁板在地上一铺，就能放，在任何地点都可以放，速度也比轰炸机高，难防御。它的主要问题是怎样才打得准确，如果一个就能打到目标，那么它的价钱虽高，但全面计算起来还是便宜。所以在导弹的整个的发展中，主要问题是准确，空气动力学和推进部分的问题，大致都已解决，困难的是自动控制部分。初步估计，要发展火箭导弹，20%力量投到空气动力学、材料强度、推进方面，80%投到控制方面。怎样来控制呢?首先是使导弹长上眼睛，自己能找目标。这件事说起来像封神榜、西游记上的故事，其实也并不神秘，主要是利用目标的特点来找目标。例如飞机发出的声音很响，飞

图 9 美国凡金火箭在预备发射

图 10 V-2 火箭和一个小火箭组成的两级火箭组。这是起飞后状态

机后面又喷气发热，而大钢铁工业都要冒烟发热。这都是它们的特点。所以我们只要在弹头上安装了对声音和热特别敏感的仪器，当导弹到达目标附近时，便向声音最响或最热的地方前进。或者我们也可以在弹头上安装了雷达来探测。但是我们要注意到：正像人的目力是有限度的，有眼睛的导弹弹头也不可能从离目标太远的地方来找寻目标，因此要把这导弹先引到目标的附近，然后才可利用它的弹头来自动找目标，这中间需要一个引导它到目标附近的控制系统。防空用导弹的控制系统，就要利用测敌机位置的雷达。雷达放出的无线电波，跟着敌机走(图11)，然后使用对电波特别敏感的导弹沿着无线电波打上去，这样导弹就一定能碰上敌机。

图 11 防空导弹控制系统示意图

用雷达测飞机或导弹的位置，同时还要做快速计算，方才能及时做出适当的控制决定;这就要电子计算机，用人的计算是不够快的。所以导弹的脑筋是电子计算机，它是整个控制系统中的中心环节。现在我们就来讲讲电子计算机。

人们一般用十进位计算，电子计算机用的是开关，或开或关只有两个可能性，并没有十个可能性，所以电子计算机用的是二进位，零是0，一是1，到了二就要进一位，写作10，到四就要进二位写作100。由此可见引用了二进位，我们就把计算过程变为电路的开关过程，这也是数字式计算机的原则(见图12、图13)。计算的快慢就看开关跳得多快多慢，用电子去开关，只要百万分之一秒就行了。

图 12 美国来伯拉斯柯伯小型通用数字计算机外貌

所以电子的数字计算机是现在最快而又很准确的计算机。此外还有一种电子计算机是模拟式的，它不靠数字的运算，它的原理是利用一定电路系统和所要计算现象之间的相似性，也就是拿电的系统来模拟自然现象。一般来说，模拟计算机比数字计算机简单，但没有数字计算机的准确度(见图14、图15)。

图 13 美国国际商业机械公司小型的用晶体管(半导体)的数字计算机外貌

图 14 美国古特依尔飞机公司的GEDA-A14 型模拟计算机的外貌

图 15 一个大型的通用模拟计算机

当然从图中我们看到的计算机都不能说是小巧的，要把它们装到导弹中去是不可能的，它们只可以留在地面上作为控制系统中的一部分。如果要把电子计算机装到导弹里面去，作为弹身内控制系统的一部分，我们首先就必须把它“专业化”，只做一件事(控制计算)，不要它万能，做通用计算;这样的计算机就可以简单一些。但是只专业化还不够，我们还要小型化和超小型化，竭力缩小体积，从相当于一个柜子的大小缩到一个盒子的大小。这不是一件容易的事。所以光能做通用计算机还不能解决导弹问题，我们还要进一步制造出超小型的专业计算机。

我们在上面所说的自动控制系统是依靠雷达定位装置的。雷达发出的电波是直线前进的，如果敌机很远，在地平面下，你就看不到它，所以现在的洲际武器控制系统就不能用电波控制，而用天文系统控制，导弹上带着天象台，自动记忆系统，某时观测太阳在何方，经过计算机的记忆和计算系统，查对出自己所在的正确位置，然后通过自动控制系统的活动，校正飞行方向。导弹跑得很快，又要带这样一批东西，天文观测系统还需要平衡而不受震动，这就难设计了。但好处也大，因此它可以不受别人的干扰，只受天体的控制。用这种控制方法的洲际火箭的速度快，不能用电干扰的方法使它失去效力。因此，要防御它就要用另一种导弹。也就是我们最后还要用导弹来打导弹。但这种导弹的准确度比现在要求的高得多，需要更高一级的科学技术水平。这是一个尚待解决的问题。

我们在前面约略地讲过了航空发展的历史，而尤其着重于军用航空技术的问题。当然我们知道民用航空的发展也是很快的，它是现代人们所不可缺的交通运输工具。它的优点是速度高，因此可以节省很多的时间。拿它和火车比：我国铁路行车速度一般不过70km/h，而喷气式旅客机像TY 104就有800km/h到1000km/h的速度，约为火车的10倍。所以飞机的发展已经对人类文化做出了很大的贡献。现在火箭、导弹的研究成果，也可以应用到交通运输上去，把交通速度再提高10多倍，比火车的速度快100多倍!这一个可能性可以这样来说明：我们在前面讲过洲际火箭，它的射程有6000km，最高速度在15000km/h以上。因为最大速度是在接近地面时出现的，这样的火箭落地的速度是很大很大的。我们如果在火箭机身上装上一对翅膀(见图16及图17)，当火箭从高空回到地面的时候，空气的密度增加了，翅膀就生出升力使火箭飘起滑翔，速度也逐渐因阻力而减小，最后着落地面。这样加上了一段滑翔过程，火箭就可以达到更远的距离。据计算，航程可以因此增加2倍，也就是18000km。其实因为地球的半径只不过6500km，地球上最远的距离也不过20000km，用了这种有翅膀的火箭差不多可以“一口气”从地球上的一点飞到任何其他一点。不但如此，因为这种远程火箭的起飞重量的大约80%是燃料，燃料烧完之后是很轻的，一装上了翅膀，就像一架飞机，因此它的着陆速度是和飞机的着陆速度不相上下的。这类有翼的火箭也可以坐人，用它作为交通运输工具;这样从北京到莫斯科只要三四十分钟，当它实现的时候，交通运输可以说进入一个新阶段了。

图 16 有翅膀的火箭。它从高空下降时，能滑行得更远

图 17 V-2 火箭安装后，用一个更大的火箭推送到高空，就能达到更远的目标。火箭组共重约 100t，航程 4500km

自然，导弹的发展是依靠了自动控制技术在过去20年的进展。像前面所说。自动控制技术对导弹是非常重要的，导弹的发展也就把自动控制技术推到更高的水平。这就必然地会影响工业生产方法。

四、自动控制在工业中的应用

我们知道现在一般用车床生产的方法是：先要人看蓝图、装料、夹刃具，然后开始切削，人在其中只起了翻译的作用，是把蓝图翻成机器的动作，让刀具按照需要去切削。其实这些工作并不一定要人去做，可以用电子计算机和自动控制系统来代替人。工程师不必画蓝图，把自己所设计的东西，记录在卡片上或录音带里，再把卡片和音带安置车床上去，卡片或音带的信号一出来，自动计算和控制系统就指挥机器完全自动地进行工作(图18)。此外，在一台机器完成几个加工步骤后，往往要把半成品送到另外的机器上再加工，这也可以自动化。把机器连起来，装上自动运输带，自动搬运、安装工件，自动调换车刀，自动完成全部加工过程，一台机器坏了就自动换上备用的机器，走另一条路线：这就是通常所说的自动化。但还需要工程师或车间主任来照管机器的运行。现在，需要车间主任做的工作也可以用机器来代替了。用现在的计算机能做数字计算外，还能做逻辑计算，也就是能有条有理地从几个可能性中选出最好的决定。机器操作的情况，用自动记录仪反映到计算机上(图19、图20)，

图 18 美国巴尔恩公司制的孔带控制系统，图示控制一台六角车床，可以不完全依靠人来操作

图 19 控制中心的情报和仪表一览

图 20 美国恩得务特自动信号记录打字机

经过逻辑计算，再去指挥机器。按照这个发展方向，不但体力劳动逐渐可以代替掉，一般变化不大的日常管理工作，也可让机器来做，由电子计算机和自动控制系统来操纵。这就是无人工厂。这就达到了最高级的自动化。不但在工厂里是如此，在机关里我们也可以利用自动控制系统处理日常例行的事。像我们的有些图书馆，书多，管理人少，往往书一进去就找不到了。而管理图书、档案的工作，一般比较简单，其中有体力劳动和非创造性的脑力劳动，这也可以用机器代替。有的图书馆已经用压缩空气传递书了，可是还需要人去找书，把书从书架上送到输送书的机器上去。将来，只要你把书摆在一定地方，有一定序列;然后编上一定号码，放进电子计算机的记忆系统里，人们借书时，先找到卡片，打书号，到记忆系统就翻译成书的位置，然后就自动送书。这就利用自动控制和记忆系统代替了图书管理员。人事管理局也可以按人编号，把人事记录放在录音带上，需用时一按号码，就自动通话传来，并自动把记录打出。其他的管理和记录工作中，像管理原材料和成品的仓库、公文档案、银行、账目等等，一切都可以利用记忆系统和计算系统来代替了。这就是自动化了的管理和办公机关。最后必须讲一讲机械化和自动化这两个名词内容的区别。我们如果把人类生产方法的整个演化过程分析一下，最早的生产方法是完全靠人们自己的体力，主要的是两只手。再进一步，人们创造了工具，最初用石器，后来引用金属。但这还是手工业，生产过程中所用的动力也还是靠人们自己的体力。从18世纪开始，工业革命到来了，机械的动力代替了体力，动力加强了，动力集中了，使生产方法起了飞跃的变化，开始了生产机械化过程。从那时起，我们不断地用机械代替人力，不断地把主要工序机械化了，我们用了各式各样的车床、钻床、铣床、拉床、磨床等，来代替人的操作，以后连一般的辅助工序也机械化了。这也就是逐步地加强了机械化。但是无论机械化程度多么高，我们只做到用机械代替体力劳动，在工厂里还是需要技术工人来看管机械，一个车间也必须要设车间主任，一个厂也必须要生产主任，要工程师。这些管理的人员一般不做体力劳动，那么他们做些什么事呢?让我们来分析一下，可以看出：他们第一是“看”机器，“看”生产情况，也就是收集生产情报;然后他们根据这些生产情报，运用他们的知识和经验做出调整机器和生产过程的决定;最后他们执行这些决定。所以如果从自动控制体系的角度来看，管理人员的工作基本上是三部分：“看”是测定;做决定是利用记忆系统的内容来运算，包含数据运算和逻辑运算;执行决定是控制。照我们在前面所说的自动控制和电子计算系统，这三部分的工作都不需要人，自动系统都能做。如果我们真的用了自动系统代替了管理人员的非创造性脑力劳动，这就是生产自动化(图21、图22)。当然，创造性的脑力劳动，机器是做不了的。所以可以说：机械化是用机器代替人的体力劳动，而自动化是用机械系统来替人做非创造性的脑力劳动。我认为如果我们叫机械化为第一次工业革命，那么自动化就应该是第二次工业革命了。