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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�