著名科學家錢學森的老師馮•卡門教授究竟是個怎麼樣的偉人?

2020-02-20     正月三草



中國最著名的科學家錢學森,可以說是航空大師馮·卡門的最得意的中國弟子。馮·卡門是二十世紀最偉大的航天工程學家,是他開創了數學和基礎科學在航空航天領域的廣泛應用,可以說二十世紀所有一切與飛行和模擬飛行的成果都與他有著密切的關係,他也被譽為「航空航天時代的科學奇才」,而他所培養的學生也是遍及世界各地,被人稱之為「卡門科班」,這其中也包含著他的許多中國弟子。


航空大師馮·卡門的中國弟子都有誰呢?根據相關資料,可以確定的是,曾師從馮·卡門門下的中國學者有錢學森、錢偉長、郭永懷、林家翹、范緒箕和張捷遷。

馮·卡門教授究竟是怎樣一個人呢?

西奧多·馮·卡門(1881—1963)是匈利猶太人。


馮·卡門他們的祖父是很有名望的猶太人,他父親是歷史悠久的布達佩斯彼得·派斯馬克大學著名的教育學教授。他的母親出身於書香門第,家族中曾出過一個16世紀的著名數學家。馮·卡門6歲時就能對5位數的乘法略一思索就報出答案來。他的父親卻對他的運算的超常能力感到擔憂,怕他將來變成一個畸形發展的人。不久,在父親的干預下,馮·卡門便和各種數學科目斷絕來往,直到十幾歲才重新開始學習數學。父親讓他讀地理、歷史、詩歌來代替做數學習題,他始終很感激父親。因為他一生崇尚人文主義文明,這與父親讓他在童年時代擺脫數學遊戲是分不開的。父親對馮·卡門最大的幫助和培養是啟發他對知識的好奇心。他常常向父親問一些宗教問題。他從來就看不出科學和宗教之間有什麼矛盾,這可能跟早年和父親討論宗教問題有關係。

1902年,馮·卡門在布達佩斯皇家理工綜合大學完成了他的研究科目,獲得碩士學位。1903—1906年,他在理工大學任職,而且是匈牙利一家發動機製造廠的顧問,在航空器結構和材料強度方面進行了一些有價值的工作。這段時間,他還到德國哥廷根大學讀博士學位,師從現代流體力學開拓者之一的路德維希·普朗特爾教授,但未及獲得學位便去了巴黎大學。1908獲得哥廷根大學博士學位,留校任教4年。1912至1930年在亞琛工業大學從事研究,之後到了加州理工學院。

20世紀頭十年,飛機剛發明不久,萊特兄弟試飛成功的消息傳到歐洲,在歐洲特別是法國掀起一股「飛行熱」,湧現出一批不屈不撓的航空先驅,亨利·法爾芒就是其中的一位。1908年的一天,馮·卡門親眼目睹了法爾芒又一次打破記錄的飛行。飛行結束後,馮·卡門從人群中擠過去,與飛行家之間有過一段精彩的對話。

馮·卡門問法爾芒:「我是研究科學的。有一位偉大的科學家用他的定律證明了比空氣重的東西是絕對飛不起來的,怎麼……」。法爾芒幽默地回答:「是那個研究蘋果落地的人嗎?幸好我沒有讀過他的書,不然,今天就不會得到這次飛行的獎金了。我只是個畫家、賽車手,現在又成了飛行員。至於飛機為什麼會飛起來,不關我的事,您作為教授,應該研究它。祝您成功,再見!」在回家的路上,馮·卡門坐在疾駛的車裡久久地沉思。他對陪他一起來的一位記者說:「看來偉人的話也不一定都對。現在我終於決定我今後的一生該研究什麼了。」馮·卡門拉住記者的手伸出車窗外,立刻有一股風吹過手面,他說:「我要不惜一切努力去研究風以及在風中飛行的全部奧秘。總有一天我會向法爾芒講清楚他的飛機為什麼能上天的道理的。」正是這次參觀把馮·卡門引上了畢生從事航空航天氣動力學研究的道路。


不久,他的老師普朗特邀請馮·卡門到哥廷根大學去做他的助手,從事教學和研究飛艇的工作,並繼續攻讀博士學位。


二十世紀之初,馮·卡門曾到德國哥廷根大學留學,當時哥廷根大學是世界數學的中心,馮·卡門師從現代流體力學開拓者路德維希·普朗特教授攻讀博士學位,並於1908年獲得哥廷根大學博士學位,1911年即提出了著名的「卡門渦街」理論。

路德維希·普朗特(1875—1953)是近代力學主要奠基人之一,他在邊界層理論、風洞實驗技術、機翼理論、紊流理論等方面都具有很高的造詣,被世界物理學界譽為「空氣動力學之父」和「現代流體力學之父」。

普朗特在上世紀四十年代前後曾培養了他一生中唯一的女博士,她就是來自中國的女留學生陸士嘉,陸士嘉在極其艱難的環境下進行科學研究,最終以《圓柱射流遇垂直氣流時的上卷》的博士論文,於1942年初獲得哥廷根大學博士學位,而且是含金量最高的一級博士,在普朗克教授的推薦之下,陸士嘉成為德國最具盛名的洪堡獎學金獲得者,而這位女科學家陸士嘉就是音樂人高曉松的外婆。

馮·卡門於1930年初移居美國從事科學研究,在加州理工學院設計和建造了世界上第一個風洞實驗室,於1935年又提出了未來超聲速阻力原則,並在1938年進行了第一次超聲速風洞試驗,由此發明了噴氣助推起飛,這是一個劃時代的偉大發明,對人類實現超聲速飛行貢獻巨大,人類由此進入噴氣航空時代,替代了速度較慢的螺旋槳時代。

馮·卡門教授之所以願意培養來自中國的留學生,是因為他認為世界上只有猶太人和中國人最聰明,而另外一個主要原因是他曾到訪過中國,古老的中國曾給他留下深刻的印象,據相關資料介紹,馮·卡門教授曾三次到訪中國。

第一次訪問中國是1928年,馮·卡門當時的身份是德國亞琛工業大學航空學教授,他當時是應加州理工學院院長密立根教授邀請訪美,之後又訪問了日本和中國,但這次訪問中國的情況,我沒有查到相關資料,但他的這次訪美之行,影響了麻省理工學院航空專業研究生弗蘭克·瓦登道夫,他追溯馮·卡門到了德國,並成為其一生最重要的助手。

馮·卡門教授第二次訪問中國是1937年夏天,而邀請馮·卡門訪問清華大學的,是已經在清華工作兩年的弗蘭克·瓦登道夫,1935年梅貽琦校長曾力邀馮·卡門教授幫助清華大學建立航空系,他當年推薦的就是其得力助手弗蘭克·瓦登道夫(F·L·Wattendorf),也有的資料說是華敦德博士,實際指的都是同一個人,他幫助清華大學建立了航空專業,當時被稱為航空工程組,隸屬於清華機械工程系,而系主任就是莊前鼎教授。


馮·卡門是在結束對蘇聯的訪問之後,於1937年6月底從莫斯科乘火車經西伯利亞到中國訪問的,他這次訪華的真實目的是幫助中國建立一支現代化空軍,以抵禦日本侵略中國。


馮·卡門在訪問了清華大學之後,在工學院院長兼航空研究所所長顧毓琇等人的陪同下,於7月6日晚乘火車前往南京,次日即爆發了「七七事變」,而他所乘坐的火車也是最後一列由北平開往南京的火車,他在南京拜會了國民政府航空委員會主任委員周至柔。

馮·卡門很快離開南京前往廬山,拜會了蔣介石和宋美齡,當時蔣介石還兼任航空委員會委員長,雙方就中國發展航空事業進行了探討,馮·卡門介紹了風洞的重要性,建議研究和試驗要齊頭並進,並告訴在場作陪的梅貽琦校長,清華公派的錢學森正在跟隨他學習。

清華大學機械工程系很快就在南昌設計建造了一座15英尺口徑的航空風洞,這也是當時遠東地區最大的航空風洞,但尚未啟用就被日機炸毀,竟致功虧一簣,所有人員撤退至成都,開始籌建清華大學航空研究所,並最終在昆明正式成立。

1939年,清華大學航空研究所在昆明白龍潭建造了5英尺口徑的鋼製回流式航空風洞,長度達70餘英尺,並於1940年建成投入運行,這是當時中國唯一可以使用的航空風洞,配備了各種測量儀器和儀表,開展了航空動力學等方面的研究和試驗。

1945年初夏,馮·卡門根據美國陸軍航空隊司令阿諾德將軍的規劃和建議,以少將軍銜率領美國陸軍空軍顧問團一行36人,趕赴德國調查納粹德國秘密研製火箭技術的情況,並遴選美國所需要的科學家,錢學森也是這個顧問團的重要成員之一,而且是唯一的外國人,比較有意思的是,師徒二人曾共同「審問」了年邁的普朗特教授,並留下了三人的同框照片。


馮·卡門領銜的顧問團考察了全球戰區,這其中自然也包括中國,這也是他第三次訪問中國,時間大概在1945年9月至10月間,但缺乏詳盡的資料記載,也許馮·卡門本人缺席了再次到中國的機會,他被臨時召回美國。


馮·卡門先後向美國軍方提交了《我們在何處》和《通向新地平線》的考察報告,報告中所提建議大多被美國軍方採用和貫徹,而根據馮·卡門構思而設計的X1火箭飛機首次突破了聲障,掀開了航天史上新的一頁,從此把人類帶入了超聲速飛行時代。


馮·卡門對人類實現超聲速飛行的貢獻是十分巨大的。1932年以後他發表了很多篇有關超聲速飛行的論文和研究成果,首次用小擾動線化理論計算一個三元流場中細長體的超聲速阻力,提出超聲速流中的激波阻力概念和減小相對厚度可減少激波阻力的重要觀點。

1939年,馮·卡門要求他的學生錢學森把兩大命題作為他的博士論文的研究課題,從而建立嶄新的「亞音速」空氣動力學和「超音速」空氣動力學。而其中一個命題就是著名的「卡門錢學森公式」。這個公式是由馮·卡門提出命題,錢學森做出結果。原理是對亞聲速氣流中空氣壓縮性對翼型壓強分布情況的計算,就是「一種計算高速飛行著的飛機機翼表面壓力分布情況的科學公式。這個公式第一次發現了在可壓縮的氣流中,機翼在亞音速飛行時的壓強和速度之間的定量關係。通俗地說來,就是當飛機的飛行速度接近每秒為340米的音速時,空氣的可壓縮性對機翼和機身的升力的影響究竟有多大?「卡門——錢公式」回答了這個問題,準確的表達了這種量的關係,並且為實驗所證明。


1946年,馮·卡門提出跨聲速相似律,它與普朗特的亞聲速相似律、錢學森的高超聲速相似律和阿克萊的超聲速相似律合起來為可壓縮空氣動力學形成一個完整的基礎理論體系。同年,他在第10屆萊特兄弟紀念演講會上作了題為《超聲速空氣動力學的理論和應用》的重要演講,向人們宣告了超聲速時代即將到來。

1936年當科學界對火箭推進技術普遍表示懷疑時, 他卻支持他的學生研究這一課題。為了研究用火箭提高飛機的性能,特別是縮短從地面或航空母艦上起飛的距離,1940年他和馬利納第一次證明能夠設計出穩定持久燃燒的固體火箭發動機。不久就研製出飛機起飛助推火箭的樣機。這種火箭也是美國北極星、民兵、海神遠程飛彈上固體火箭的原型。1941年他參與創建美國製造火箭發動機的通用航空噴氣公司。

二戰中德國人的行動引起了美國軍方對於火箭研究的興趣。1943年初,美國空軍器材司令部試驗工程部將英國情報部門關於德國火箭射程達到100英里(160公里)的報告給馮·卡門。在1943年8月2日的一封信中,馮卡門向軍方提出他對於德國項目的分析以及評價。美國陸軍航空隊(美空軍前身)司令亨利·哈里·阿諾德將軍請教馮·卡門教授,要他評價美國航空技術發展的現狀,預測未來20年、30年甚至50年的發展,並就如何確保美國空軍未來的領先地位提出建議。1944年12月1日陸軍航空隊正式成立了科學顧問組,由馮·卡門任組長。它的任務是評價航空研究和發展的趨勢,為空軍準備有關科學技術事務的特別報告。此時他已經在火箭技術上獲得多項突破,如固體和液體起飛助推火箭,火箭發動機飛機,自燃點火液體推進劑(這種推進劑25年後用於阿波羅指令艙和登月艙上)。

1945年初夏,馮·卡門受命,以少將軍銜率領美國空軍顧問團一行36人,趕赴德國考察納粹德國秘密研究火箭技術的情況。通過這次調查,馮·卡門摸清了德國火箭技術的水平,返回美國後,先寫出一份《我們在何處》的考察報告,對比了美、德兩國在戰爭期間的科技發展,並指出美國已有可能研製射程達9 600千米的飛彈。

接著,馮·卡門又拿出了名為《通向新地平線》的第二份報告。該報告包括25位作者的32份分報告,主題涉及從空氣動力、飛機設計到炸藥、末端彈道等。《通向新地平線》報告的主要觀點是「科學是掌握制空權的基礎」。報告強調,要成為航空大國,沒有一勞永逸的解決辦法,只有不斷地加強研究和發展,才能確保國家安全。報告預測,新的作戰能力肯定會陸續出現,超聲速飛行是可能的,衛星和有相當精度的遠程飛彈將研製出來,渦輪噴氣和渦輪螺槳發動機將取得重大進展。

報告中的各項建議在美國空軍都得到了很好的貫徹,如組建了航空研究和發展司令部,後來改組為空軍系統司令部,獨立負責全空軍的研究和發展工作。 1947年10月14日,根據馮·卡門的構思而設計的X1火箭飛機終於首次突破了聲障,把人類帶入超聲速飛行的時代。


值得一提的是,馮·卡門這位科學奇才終生未婚,他把全部精力都貢獻給了人類的科學事業,這位與魯迅先生同庚的科學家,其生命的終點定格在1963年5月6日。

1963年,他去世在去亞琛的路上,並葬在帕薩迪娜。他終生未婚。送葬隊伍中有中國人、日本人,也有歐洲人、猶太人;有伊斯蘭教徒,也有基督教徒;有軍事將領,也有知名科學家;還有他生前的摯友和助手們。


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