著名科学家钱学森的老师冯•卡门教授究竟是个怎么样的伟人?

2020-02-20     正月三草



中国最著名的科学家钱学森,可以说是航空大师冯·卡门的最得意的中国弟子。冯·卡门是二十世纪最伟大的航天工程学家,是他开创了数学和基础科学在航空航天领域的广泛应用,可以说二十世纪所有一切与飞行和模拟飞行的成果都与他有着密切的关系,他也被誉为“航空航天时代的科学奇才”,而他所培养的学生也是遍及世界各地,被人称之为“卡门科班”,这其中也包含着他的许多中国弟子。


航空大师冯·卡门的中国弟子都有谁呢?根据相关资料,可以确定的是,曾师从冯·卡门门下的中国学者有钱学森、钱伟长、郭永怀、林家翘、范绪箕和张捷迁。

冯·卡门教授究竟是怎样一个人呢?

西奥多·冯·卡门(1881—1963)是匈利犹太人。


冯·卡门他们的祖父是很有名望的犹太人,他父亲是历史悠久的布达佩斯彼得·派斯马克大学著名的教育学教授。他的母亲出身于书香门第,家族中曾出过一个16世纪的著名数学家。冯·卡门6岁时就能对5位数的乘法略一思索就报出答案来。他的父亲却对他的运算的超常能力感到担忧,怕他将来变成一个畸形发展的人。不久,在父亲的干预下,冯·卡门便和各种数学科目断绝来往,直到十几岁才重新开始学习数学。父亲让他读地理、历史、诗歌来代替做数学习题,他始终很感激父亲。因为他一生崇尚人文主义文明,这与父亲让他在童年时代摆脱数学游戏是分不开的。父亲对冯·卡门最大的帮助和培养是启发他对知识的好奇心。他常常向父亲问一些宗教问题。他从来就看不出科学和宗教之间有什么矛盾,这可能跟早年和父亲讨论宗教问题有关系。

1902年,冯·卡门在布达佩斯皇家理工综合大学完成了他的研究科目,获得硕士学位。1903—1906年,他在理工大学任职,而且是匈牙利一家发动机制造厂的顾问,在航空器结构和材料强度方面进行了一些有价值的工作。这段时间,他还到德国哥廷根大学读博士学位,师从现代流体力学开拓者之一的路德维希·普朗特尔教授,但未及获得学位便去了巴黎大学。1908获得哥廷根大学博士学位,留校任教4年。1912至1930年在亚琛工业大学从事研究,之后到了加州理工学院。

20世纪头十年,飞机刚发明不久,莱特兄弟试飞成功的消息传到欧洲,在欧洲特别是法国掀起一股“飞行热”,涌现出一批不屈不挠的航空先驱,亨利·法尔芒就是其中的一位。1908年的一天,冯·卡门亲眼目睹了法尔芒又一次打破记录的飞行。飞行结束后,冯·卡门从人群中挤过去,与飞行家之间有过一段精彩的对话。

冯·卡门问法尔芒:“我是研究科学的。有一位伟大的科学家用他的定律证明了比空气重的东西是绝对飞不起来的,怎么……”。法尔芒幽默地回答:“是那个研究苹果落地的人吗?幸好我没有读过他的书,不然,今天就不会得到这次飞行的奖金了。我只是个画家、赛车手,现在又成了飞行员。至于飞机为什么会飞起来,不关我的事,您作为教授,应该研究它。祝您成功,再见!”在回家的路上,冯·卡门坐在疾驶的车里久久地沉思。他对陪他一起来的一位记者说:“看来伟人的话也不一定都对。现在我终于决定我今后的一生该研究什么了。”冯·卡门拉住记者的手伸出车窗外,立刻有一股风吹过手面,他说:“我要不惜一切努力去研究风以及在风中飞行的全部奥秘。总有一天我会向法尔芒讲清楚他的飞机为什么能上天的道理的。”正是这次参观把冯·卡门引上了毕生从事航空航天气动力学研究的道路。


不久,他的老师普朗特邀请冯·卡门到哥廷根大学去做他的助手,从事教学和研究飞艇的工作,并继续攻读博士学位。


二十世纪之初,冯·卡门曾到德国哥廷根大学留学,当时哥廷根大学是世界数学的中心,冯·卡门师从现代流体力学开拓者路德维希·普朗特教授攻读博士学位,并于1908年获得哥廷根大学博士学位,1911年即提出了著名的“卡门涡街”理论。

路德维希·普朗特(1875—1953)是近代力学主要奠基人之一,他在边界层理论、风洞实验技术、机翼理论、紊流理论等方面都具有很高的造诣,被世界物理学界誉为“空气动力学之父”和“现代流体力学之父”。

普朗特在上世纪四十年代前后曾培养了他一生中唯一的女博士,她就是来自中国的女留学生陆士嘉,陆士嘉在极其艰难的环境下进行科学研究,最终以《圆柱射流遇垂直气流时的上卷》的博士论文,于1942年初获得哥廷根大学博士学位,而且是含金量最高的一级博士,在普朗克教授的推荐之下,陆士嘉成为德国最具盛名的洪堡奖学金获得者,而这位女科学家陆士嘉就是音乐人高晓松的外婆。

冯·卡门于1930年初移居美国从事科学研究,在加州理工学院设计和建造了世界上第一个风洞实验室,于1935年又提出了未来超声速阻力原则,并在1938年进行了第一次超声速风洞试验,由此发明了喷气助推起飞,这是一个划时代的伟大发明,对人类实现超声速飞行贡献巨大,人类由此进入喷气航空时代,替代了速度较慢的螺旋桨时代。

冯·卡门教授之所以愿意培养来自中国的留学生,是因为他认为世界上只有犹太人和中国人最聪明,而另外一个主要原因是他曾到访过中国,古老的中国曾给他留下深刻的印象,据相关资料介绍,冯·卡门教授曾三次到访中国。

第一次访问中国是1928年,冯·卡门当时的身份是德国亚琛工业大学航空学教授,他当时是应加州理工学院院长密立根教授邀请访美,之后又访问了日本和中国,但这次访问中国的情况,我没有查到相关资料,但他的这次访美之行,影响了麻省理工学院航空专业研究生弗兰克·瓦登道夫,他追溯冯·卡门到了德国,并成为其一生最重要的助手。

冯·卡门教授第二次访问中国是1937年夏天,而邀请冯·卡门访问清华大学的,是已经在清华工作两年的弗兰克·瓦登道夫,1935年梅贻琦校长曾力邀冯·卡门教授帮助清华大学建立航空系,他当年推荐的就是其得力助手弗兰克·瓦登道夫(F·L·Wattendorf),也有的资料说是华敦德博士,实际指的都是同一个人,他帮助清华大学建立了航空专业,当时被称为航空工程组,隶属于清华机械工程系,而系主任就是庄前鼎教授。


冯·卡门是在结束对苏联的访问之后,于1937年6月底从莫斯科乘火车经西伯利亚到中国访问的,他这次访华的真实目的是帮助中国建立一支现代化空军,以抵御日本侵略中国。


冯·卡门在访问了清华大学之后,在工学院院长兼航空研究所所长顾毓琇等人的陪同下,于7月6日晚乘火车前往南京,次日即爆发了“七七事变”,而他所乘坐的火车也是最后一列由北平开往南京的火车,他在南京拜会了国民政府航空委员会主任委员周至柔。

冯·卡门很快离开南京前往庐山,拜会了蒋介石和宋美龄,当时蒋介石还兼任航空委员会委员长,双方就中国发展航空事业进行了探讨,冯·卡门介绍了风洞的重要性,建议研究和试验要齐头并进,并告诉在场作陪的梅贻琦校长,清华公派的钱学森正在跟随他学习。

清华大学机械工程系很快就在南昌设计建造了一座15英尺口径的航空风洞,这也是当时远东地区最大的航空风洞,但尚未启用就被日机炸毁,竟致功亏一篑,所有人员撤退至成都,开始筹建清华大学航空研究所,并最终在昆明正式成立。

1939年,清华大学航空研究所在昆明白龙潭建造了5英尺口径的钢制回流式航空风洞,长度达70余英尺,并于1940年建成投入运行,这是当时中国唯一可以使用的航空风洞,配备了各种测量仪器和仪表,开展了航空动力学等方面的研究和试验。

1945年初夏,冯·卡门根据美国陆军航空队司令阿诺德将军的规划和建议,以少将军衔率领美国陆军空军顾问团一行36人,赶赴德国调查纳粹德国秘密研制火箭技术的情况,并遴选美国所需要的科学家,钱学森也是这个顾问团的重要成员之一,而且是唯一的外国人,比较有意思的是,师徒二人曾共同“审问”了年迈的普朗特教授,并留下了三人的同框照片。


冯·卡门领衔的顾问团考察了全球战区,这其中自然也包括中国,这也是他第三次访问中国,时间大概在1945年9月至10月间,但缺乏详尽的资料记载,也许冯·卡门本人缺席了再次到中国的机会,他被临时召回美国。


冯·卡门先后向美国军方提交了《我们在何处》和《通向新地平线》的考察报告,报告中所提建议大多被美国军方采用和贯彻,而根据冯·卡门构思而设计的X1火箭飞机首次突破了声障,掀开了航天史上新的一页,从此把人类带入了超声速飞行时代。


冯·卡门对人类实现超声速飞行的贡献是十分巨大的。1932年以后他发表了很多篇有关超声速飞行的论文和研究成果,首次用小扰动线化理论计算一个三元流场中细长体的超声速阻力,提出超声速流中的激波阻力概念和减小相对厚度可减少激波阻力的重要观点。

1939年,冯·卡门要求他的学生钱学森把两大命题作为他的博士论文的研究课题,从而建立崭新的“亚音速”空气动力学和“超音速”空气动力学。而其中一个命题就是著名的“卡门钱学森公式”。这个公式是由冯·卡门提出命题,钱学森做出结果。原理是对亚声速气流中空气压缩性对翼型压强分布情况的计算,就是“一种计算高速飞行着的飞机机翼表面压力分布情况的科学公式。这个公式第一次发现了在可压缩的气流中,机翼在亚音速飞行时的压强和速度之间的定量关系。通俗地说来,就是当飞机的飞行速度接近每秒为340米的音速时,空气的可压缩性对机翼和机身的升力的影响究竟有多大?“卡门——钱公式”回答了这个问题,准确的表达了这种量的关系,并且为实验所证明。


1946年,冯·卡门提出跨声速相似律,它与普朗特的亚声速相似律、钱学森的高超声速相似律和阿克莱的超声速相似律合起来为可压缩空气动力学形成一个完整的基础理论体系。同年,他在第10届莱特兄弟纪念演讲会上作了题为《超声速空气动力学的理论和应用》的重要演讲,向人们宣告了超声速时代即将到来。

1936年当科学界对火箭推进技术普遍表示怀疑时, 他却支持他的学生研究这一课题。为了研究用火箭提高飞机的性能,特别是缩短从地面或航空母舰上起飞的距离,1940年他和马利纳第一次证明能够设计出稳定持久燃烧的固体火箭发动机。不久就研制出飞机起飞助推火箭的样机。这种火箭也是美国北极星、民兵、海神远程导弹上固体火箭的原型。1941年他参与创建美国制造火箭发动机的通用航空喷气公司。

二战中德国人的行动引起了美国军方对于火箭研究的兴趣。1943年初,美国空军器材司令部试验工程部将英国情报部门关于德国火箭射程达到100英里(160公里)的报告给冯·卡门。在1943年8月2日的一封信中,冯卡门向军方提出他对于德国项目的分析以及评价。美国陆军航空队(美空军前身)司令亨利·哈里·阿诺德将军请教冯·卡门教授,要他评价美国航空技术发展的现状,预测未来20年、30年甚至50年的发展,并就如何确保美国空军未来的领先地位提出建议。1944年12月1日陆军航空队正式成立了科学顾问组,由冯·卡门任组长。它的任务是评价航空研究和发展的趋势,为空军准备有关科学技术事务的特别报告。此时他已经在火箭技术上获得多项突破,如固体和液体起飞助推火箭,火箭发动机飞机,自燃点火液体推进剂(这种推进剂25年后用于阿波罗指令舱和登月舱上)。

1945年初夏,冯·卡门受命,以少将军衔率领美国空军顾问团一行36人,赶赴德国考察纳粹德国秘密研究火箭技术的情况。通过这次调查,冯·卡门摸清了德国火箭技术的水平,返回美国后,先写出一份《我们在何处》的考察报告,对比了美、德两国在战争期间的科技发展,并指出美国已有可能研制射程达9 600千米的导弹。

接着,冯·卡门又拿出了名为《通向新地平线》的第二份报告。该报告包括25位作者的32份分报告,主题涉及从空气动力、飞机设计到炸药、末端弹道等。《通向新地平线》报告的主要观点是“科学是掌握制空权的基础”。报告强调,要成为航空大国,没有一劳永逸的解决办法,只有不断地加强研究和发展,才能确保国家安全。报告预测,新的作战能力肯定会陆续出现,超声速飞行是可能的,卫星和有相当精度的远程导弹将研制出来,涡轮喷气和涡轮螺桨发动机将取得重大进展。

报告中的各项建议在美国空军都得到了很好的贯彻,如组建了航空研究和发展司令部,后来改组为空军系统司令部,独立负责全空军的研究和发展工作。 1947年10月14日,根据冯·卡门的构思而设计的X1火箭飞机终于首次突破了声障,把人类带入超声速飞行的时代。


值得一提的是,冯·卡门这位科学奇才终生未婚,他把全部精力都贡献给了人类的科学事业,这位与鲁迅先生同庚的科学家,其生命的终点定格在1963年5月6日。

1963年,他去世在去亚琛的路上,并葬在帕萨迪娜。他终生未婚。送葬队伍中有中国人、日本人,也有欧洲人、犹太人;有伊斯兰教徒,也有基督教徒;有军事将领,也有知名科学家;还有他生前的挚友和助手们。


文章来源: https://twgreatdaily.com/zh-hans/Tthf0nABjYh_GJGVH2Yc.html