技术试验与科学实验论文

1实验的作用

就体现在作为“实践”的环节上。具体地说，实验方法对科学技术发展的重要作用主要表现在：1）实验是检验（即证明或反驳）科学假说和理论的真理性标准，是证明科学知识的主要手段。真理是客观事物及其规律的正确反映，即主观认识与客观实际相一致。要判别认识之是否真理，只有通过科学实验或生产实践，是主观见之于客观。在实验过程中赋予理论假设直接现实性的品格，向人们提供无可置疑的事实，使人们据此判明理论假设的真伪对错。2）实验是获得新假说、新理论的直接来源，是发展科学知识的手段。由于实验直接指向研究对象，积极干预事物和现象的进程，能提供新鲜的事实材料，形成新假说和新理论的经验基础，甚至指明新的科学发现与技术发明之路，成为获得有关外部世界一切知识的基础。因此，可以说一部科学技术发展史就是一部人类不断实验的历史。实验总是不断推进人们的科学认识与技术研发，没有实验所揭示的新事实、新现象，无法凭空建构出一个新的理论体系，或者创造出一个全新的技术系统。随着现代自然科学的飞速发展，实验方法的种类日益增多，内容十分广泛。广义地说，科学实验可分为实物实验和思想实验；按实验中量与质的关系，实验方法可以划分为定性实验、定量实验和结构分析实验。实验的一般程序包括：首先，根据要求进行实验的构思与设计，这是决定实验成败的首要环节。它包括确定实验原理、选择实验材料、选择或研制适用的仪器设备、选择实验类型、确定对有关实验条件的控制等；其次，在实验过程中，精心操作、细致观察和准确记录；再次，对实验结果的分析整理，确定所获得的经验事实；最后，对实验结果做出理论概括与解释。这一过程如图1所示。

2技术试验的内涵

技术试验在技术创造过程中的地位与科学实验在科学研究过程中的地位相当，有以下相似与区别之处：1）与科学观察相比，都不是发生在自然的条件下，而是在人为控制和干预的条件下进行的。2）与科学实验相比，实验的研究对象是自然事物，而试验的研究对象只是人工创造物，包括人们拟定的规划、设计和研制出的机器设备等。实验主要表现为从客观到主观、从实践到理论的认识过程；试验则是从主观到客观、从理论向实践的转化过程。实验是为了揭示自然事物、现象和过程的本质与规律，创立相应的科学理论；而试验则是为了探索科学理论实际应用的条件、途径和形式，以获得新的技术发明。3）尽管技术试验同实际应用的联系比科学实验更密切，但也只是在实际应用的预备阶段，为试制和实际应用奠定基础。技术试验是试探性与验证性的统一，往往能为技术研发与推广应用开辟出新的途径。技术试验是从技术方案到现实技术形态的中介或桥梁，是检验、修正和完善技术构思与设计的重要手段。技术试验在技术发明、技术革新、技术推广等活动中，不仅是对技术成功与否的验证，更是发现问题、探究规律、优化技术的关键，对于推进技术认识的发展、完善技术设计与制造工艺发挥着不可替代的作用。技术试验过程大致可分为试验准备、试验操作和试验数据的分析处理3个基本阶段。其中，试验的构思设计居于核心地位。试验设计不仅要明确试验的目的、任务、内容和类型，选配相应的测试仪器，而且还要确定恰当的试验步骤和试验方法，力求对所处理的因素进行合理的安排，从而用较少的试验次数，最低的人力、物力、财力消耗，实现预期的试验结果。在技术试验过程中，不同的试验题目、内容和性质，往往要求不同的试验类型及其方法。即使同一个复杂的试验项目，试验步骤或阶段不同，所要求的试验方法也不尽相同。因此，应根据试验项目的具体特点、步骤和阶段，选取不同类型的试验方法。技术试验方法的种类很多，可以按照不同的依据对其进行划分。1）性能试验与对比试验。性能试验是为了定性或定量地认识某一部件、工艺或产品的功用而安排的试验。如对材料的强度、塑性、抗腐蚀性的试验，对机械设施的抗震性，汽车的速度、安全性或耗油量的试验等。性能试验常常需要在某种极限条件下进行（如破坏性试验），或者需要经历一个较长的试验时间（如寿命试验），并要求具备相应的测试手段。性能试验往往需要通过对比试验的方式进行。对比试验就是为了确定多种方案或产品的优劣而精心安排的，试验结果可作为评价和选择技术的重要依据。2）析因试验。析因试验就是通过技术试验，分析和确定导致技术后果的原因。在技术发明过程中，常常会产生这样或那样的结果，这些结果或者是符合、或者是偏离预定的技术目标和技术功能。通过析因试验，探寻导致某一结果的原因，有助于人们有针对性地采取措施，强化、减弱或消除这一结果，从而改进技术方案与设计，使技术功能得到改善或提高。技术的开发或运行是一个涉及众多因素的复杂过程，某一结果的出现往往是由多种因素综合作用的。因此，在析因试验中，应善于全面、系统地分析导致某一结果的机理和因素，抓住其中的主要或关键环节。3）中间试验。中间试验也称为中试生产试验，是为了把实验室技术成果转化为实际应用而进行的试验，处于从实验室技术到工业化技术发展的中间环节。一般地说，实验室研究的规模狭小，条件控制严格，操作精细，结论的精确度较高；而生产环境的规模大，要求不严格，可变因素多，过程复杂。实验室技术成果一旦投入生产或扩大规模，条件发生改变，就会出现种种问题和预料不到的情况。因此，不能把实验室技术成果简单地移植到工业生产环境之中。为了摸清在推广应用过程中可能出现的问题，就需要以更接近于生产规模的实际条件进行反复试验。4）模拟试验。模拟试验又称模型试验，它是以模型替代原型而进行的技术试验，然后再将模型试验结果适当地推演和应用到原型上。在这一过程中，模型是创造原型的手段，完善原型则是进行模型试验的目的。模拟试验本质上属于间接试验，事物之间的相似性是该方法的客观基础。模拟试验方法适用于技术创造过程的诸多环节。

3科学实验与技术试验方法的综合运用

运载器是极其复杂的系统，综合体现了当今科学技术的成就，代表着航空、航天技术最全面、最复杂、最先进的水平。同时，它也是高投入、高技术、知识密集的系统工程，在其设计、制造、试验、发射和飞行过程中都将面临许多难题，因而要求从事该领域的科学研究与工程技术人员不但要广泛运用科学实验方法与技术试验方法，而且要将二者有机地综合运用，以支撑运载器的全寿命周期质量保证与工程应用工作的开展。科学家达•芬奇指出：“科学如果不是从实验中产生，并以一种清晰实验结束，便是毫无用处的、充满荒谬的，因为实验乃是确定性之母。[3]”科学研究与工程技术人员不仅要充分认识实验在科学方法上的重要性，而且要不遗余力地身体力行，从事各种实验活动，获得更多的科学事实，指导科学与工程技术问题的认知与解决。导弹液体推进剂晃动问题的解决即是通过科学实验取得科学成果的成功案例之一。“木星”导弹前两次发射均以失败告终。其中，首飞失利归咎于发动机羽流烧坏了伺服机构控制电缆。此后第2次发射再次失利，原因定位于“由于液体推进剂晃动和控制系统之间的动态耦合，导致控制系统饱和，箭体在最大动压时失去了控制”。前一个问题通过在燃气发生器尾气排出箭体处设置防护罩得到有效解决；第二个问题则在理论方面及相关的实验方法上是一项新兴技术，该问题成为促进研究人员开展深入科学研究和发展相关实验技术的契机。为此，首先利用“木星”的液氧推进剂贮箱进行了演示实验：将贮箱放置在有轨电车上，贮箱内加满水，通过驱动电车与轨道上的固定障碍物进行猛烈的撞击，由此激发液体的动力学响应。摄像机记录下了这些运动，并可由此推导出等效的晃动质量和频率，将其应用在控制反馈仿真中，最终通过“啤酒罐”、“鼠笼框”的结构形式成功实现“防晃”的目的，并且在实验的基础上形成了液体推进剂在晃动条件下其动力学行为的演变理论，为运载火箭型号液氧推进剂贮箱的结构设计提供了理论指导。技术试验关系到技术系统的质量、功能和水平，是技术方法论的重要内容之一。技术试验可以为技术方案建构、工程技术设计和样品试制提供事实根据，验证它们的科学性、可行性与可靠性，发现设计制造过程中的缺陷，改进工艺和产品。工程技术对象十分复杂，影响因素众多，在常态下有的特征或缺陷不易显现，有的造价昂贵，定型后更改代价高昂。只有在设计过程中运用巧妙的试验来强化、干预或模拟对象，才能形成技术制造或控制的最佳方案。由于技术试验在技术活动中是必不可少的环节，因而在重大技术研发的各个阶段都需要试验。技术试验作为航天领域中最基本的常用方法之一，尤其是作为宇航和武器系统全寿命周期过程中的重要质量保证方法之一，正在发挥着越来越重要的作用。通过技术试验推动技术认识、提高技术水平的案例可列举为：火箭研制过程中的重要一环就是试验验证，电气系统需要通过综合试验、匹配试验和发动机点火试验验证，并经过出厂测试验证。新研火箭更需要开展分离试验、动力系统试车、模态试验、静力试验、风洞试验等大型试验。航天型号在进入工程研制阶段之前，都要经过一个预先研究时期，这一时期的研究活动集中体现了科学实验与技术试验两种方法综合运用的重要意义。这一时期，在基础科学研究阶段通过科学实验获得的科学原理开始转向应用研究；技术基本原理开始被用于发明活动；通过实验室研究，验证各独立元素并分析预测；基础部件或原理样机在实验室进行试验；部件或部件级原理样机在相关环境下进行试验。预先研究时期进行的科研活动的显著特点就是通过实验方法进行理论研究，完成从客观到主观、从实践到理论的认识过程，并通过试验方法不断验证、修正理论，完成从主观到客观、从理论向实践的转化过程。预研阶段是航天型号进入工程研制的基础储备阶段。图2展示了某材料在航天型号应用前开展的主要实验和试验活动。

4结束语

综上所述，科学实验与技术试验的综合运用在航天领域具有重要的实践意义，二者的综合运用充分体现了“客观———主观———客观”及“实践———理论———实践”的科学认识与转化闭环增长机制，这种科学实验与技术试验的综合运用方法已经并将长期为运载器需求分析、设计、研制、生产、部署、保障、改进、更新等全寿命的质量保证及工程应用提供有力的支撑。

作者：许春来 李京苑 陈金存 杨雪辉 单位：中国运载火箭技术研究院