为抵御外侮 改习航空学
钱学森祖籍浙江杭州，1911年12月生于上海，少年时正值第一次世界大战。战后，英、法、德、意、日、俄等帝国主义列强掀起侵华狂潮。1926年英国军舰在长江上寻衅炮轰万县，令我上千军民死伤，造成“万县惨案”；1927年帝国主义干涉中国革命，炮击南京，死伤我军民两千多人，毁坏房屋财产无数，造成“南京事件”等。这些悲惨事件，在钱学森幼小心灵里留下对帝国主义侵略者深深的仇恨。
1929年，钱学森从国立北京师大附中毕业后，考入上海交通大学机械工程系学习。他清楚地记得孙中山先生在《建国方略》里，为中国未来铁路建设勾画的宏伟蓝图，因而，决心像著名铁路工程师詹天佑那样，投身祖国的铁路建设。钱学森在交大成绩优异，各门功课都在90分以上，获得免交学费的奖励。
然而，正当他在上海交大勤奋学习时，日本鬼子依仗先进的飞机、大炮疯狂侵略中国的东北，1931年的“九一八”事变后不久，就在钱学森身边发生了1932年的“一二八”战争。他目睹蔡廷锴将军率十九路军以弱势的空军力量，在上海慷慨悲壮抗击日寇的战斗场面。钱学森认为，中国要战胜日寇，只有军人的英勇是不够的，还要有敢于抗争的国民政府和现代化的武器，特别是强大的空军，要自己学会制造飞机！于是，他钻到图书馆里博览群书，特别专注于阅读航空工程的书籍，他的志趣从设计火车头逐渐转向发展航空事业。
交大毕业后，钱学森考取清华大学留美学生，攻读飞机设计。1935年8月，他登上邮轮，负笈留美。迎着海上的狂风巨浪，钱学森立下宏愿：我暂时到美国去学习科学技术，他日回来，再更好地为国效劳！
师从冯·卡门 攻世界难题
上个世纪30年代的美国，正值资本主义世界经济危机时期。虽有罗斯福总统提出“新政”，也难以解决各种矛盾，特别是劳动就业的激烈竞争。在学校和工厂，种族歧视的行为和目光随处可见。1935年，钱学森在麻省理工学院（MIT）航空系学习初期，面对某些美国同学傲慢地讥笑中国愚昧落后现象，他不服气地挑战说：“中国现在是比你们美国落后，但作为个人，咱们人比人，你们谁敢和我比试？”后来，只用了一年时间，他就获得航空硕士学位，为中国人争了气。
然而，中国学生在麻省理工学院毕业后，要到美国的航空工厂实习，却不受欢迎。这迫使钱学森将专业研究方向由航空工程转为航空理论。好在这也正是他的志趣和特长所在。同时，父亲的挚友、民国时期著名军事理论家蒋百里先生，在欧洲考察之后，深感德国空军的迅猛发展得益于航空飞行理论研究的先进成果。因而，也鼓励钱学森钻研航空理论。于是，钱学森决定到加州理工学院，拜访慕名已久的冯·卡门教授，希望跟随他继续攻读航空博士学位。
冯·卡门是生于匈牙利的犹太人，1906年进入德国哥丁根大学机械研究所，跟随应用力学的创始人普朗特教授攻读博士学位。普朗特是空气动力学的先驱。1904年，普朗特在边界层（即贴近在空气或水中运动的物体的表面层）和机翼理论上，取得决定性的进展，解决了困惑航空界多年的飞行阻力来源以及机翼设计问题。1911年，冯·卡门在普朗特教授的指导下，通过各种风洞实验，经由数学计算和分析，发现机翼穿过气流时，会产生两股平行的气旋，造成一种阻力，从而完成著名的“卡门涡街”等多项气体动力学的研究。1922年，普朗特让贤，推荐冯·卡门接替他在哥丁根大学应用机械研究中心主任的重要职务。1930年，德国反犹太人的风声日紧，冯·卡门预感不祥，便应加州理工学院领导米立肯教授的聘请移居美国。他把哥丁根民主自由的学风以及德国先进的航空理论和技术成就，带到美国，成为最受尊敬和爱戴的著名教授。
1936年，钱学森从美国东海岸的波士顿，来到西海岸的加州理工学院，专程拜见这位世界著名的力学大师冯·卡门，没想到他们第一次谈话就给冯·卡门留下非常深刻的印象。冯·卡门觉得这个文质彬彬的年轻人，一脸认真的神情，对他提出的所有问题，都回答得十分精确、简明，非同寻常，钱学森的聪慧和敏锐深深地打动了他。因此，冯·卡门欣然接纳他为自己的博士研究生。
选择什么课题作为钱学森攻读和研究的方向是至关重要的。这位明智的导师深知，在当时，世界各国飞机的飞行速度和高度，是空军实力对比强弱和空战胜负的关键。然而那时，世界航空工业正处在从老式的螺旋桨飞机向超音速的喷气式飞机发展的时期，在理论和工程技术上，面临着两大难题：
攻破“热障”关 公式“卡门-钱”
面对当时两大航空科技难题,钱学森深知,攻克难题不仅是为美国航空工业的发展,更是为日后发展祖国的空军力量,抗击一切侵略者。
不知有多少个不眠之夜,钱学森在知识宝库里苦苦寻觅,有时忽然从半梦半醒中捕捉到一些灵感,然后反复大胆设想、设计与计算、实验。历经三载,钱学森逐步攻破一个个难关,形成自己独到的见解,在高亚声速流场的精确计算以及超声速空气动力学以至火箭推进方面,都作出了原创性的贡献。
1939年他出色地完成《高速气体动力学问题的研究》等4篇博士论文,获得航空和数学的双博士学位。这里仅就钱学森博士论文中部分内容的原创性贡献,做简要介绍:
(1)博士论文的第一部分是关于飞机在高空中高速飞行时,它所受到的阻力和表面的热效应问题。当时普遍认为飞机在超声速飞行时,其表面与空气发生的摩擦阻力并不重要,可以忽略不计,且飞机表面不会发热。钱学森经过对飞机结构整体的物理思考,加之运用极其复杂的数学计算和逐次迭代的近似解法,得到飞机在高速飞行时,将受到空气摩擦阻力和热效应的重要影响的精确数据和结论。这在世界航空工业比较落后的时代,是一个全新理念。它从航空理论上预见,实现高速飞行的飞机,将会遇到“热障”,其表面气流温度很高,能使金属外层强度降低,甚至熔化;在设计高速飞机时,必须对飞机表面采取有效的防热或冷却的措施,才能持续高速飞行。
(2)博士论文的第三部分是寻求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方法。当时,航空界已有的一些计算方法,只能适用于计算飞机机翼较薄、飞行速度较慢(例如小于0.5倍声速)的情况。为了实现大型超声速飞机精准合理的设计与制造,冯·卡门凭着对物理问题敏锐的洞察力,建议改变传统计算方法,采用来流状态点处的切线近似计算法。钱学森在导师的启发下,专心致志地每天工作十几个小时,反复对比、思考,加之一系列细心的数学推导、计算(当时没有电子计算机)与实验,果然得到比过去更为精确的计算结果及其数量关系。这就是著名的“卡门-钱公式”,它是空气动力学中的重大成果。“热障”理论和“卡门-钱公式”,在第二次世界大战期间以及二战之后很长一段时间,都被世界各国广泛应用于超声速飞机设计与制造,直到电子计算机广泛应用之前。
钱学森很快成为冯·卡门的亲密合作者和得力助手,成为当时航空界和加州理工学院里最惹人注目的人物,并被加州理工学院古根海姆航空实验室聘为研究人员。此后10多年,钱学森为了飞机的高速飞行,突破“声障”和“热障”不断探索,作出了全方位的重大贡献。
罗斯福重科技 广开科研路
1936年-1939年,正当钱学森攻克空气动力学中的世界难题,为航空工程设计提出高速飞行的新理论、新方法、新公式时,德国希特勒建立独裁政权,扩充军备,特别重视发展空军。
1937年7月7日,日本帝国主义在中国悍然挑起“芦沟桥事变”,发动全面侵华战争。同年12月13日,日本帝国主义制造震惊世界的“南京大屠杀”。钱学森闻讯后彻夜难眠,义愤填膺,决心用各种方式为国效力,报仇雪恨!
1940年初,德军借助其远程轰炸机、战斗机和机械化部队的优势,席卷欧洲大陆,然后又大举进攻英国,1800多架飞机布满英国上空,英国危在旦夕,首相丘吉尔向美国总统罗斯福紧急求援。罗斯福通过国会一方面支援英国,一方面拨款几十亿美元,希望尽快制造出性能先进的飞机、军舰、坦克、大炮，准备迎战。
罗斯福对于发展先进武器、炸药的科学技术尤为关注，经常与一些科学家讨论、研究。1939年8月2日，科学家爱因斯坦致信罗斯福，在信中，他预料，在不久的将来，铀元素会变成一种重要的新能源。它也可以用来制造出极有威力的新型炸弹。而德国在这方面有可能采取先发制人的行动……这封信引起罗斯福重视，立即成立铀问题咨询委员会，并集结奥本海默等一大批由科学家、军事家和科学技术人员组成的庞大队伍，开始研制原子弹的曼哈顿计划。
钱学森最近回忆说：“二战爆发后不久，罗斯福总统特别注意发展科学技术，多次把科学家们找来共同讨论在美国如何发展科学技术的问题，当时就找到冯·卡门等科学家，他们讨论来，讨论去，结果就做出要尽快搞火箭发射、搞原子弹和氢弹这个英明的决定。因为一般的火炮打原子弹、氢弹，打不远，不行。有了火箭发射，你想打到哪儿，哪儿就完了，毁灭性的。”当时，钱学森暗下决心：我虽与祖国远隔重洋，不能上战场与日军搏斗，但可以利用在美国的科学研究和实验条件，去抢占世界科技高峰，借以提高军事力量，打击帝国主义德、日、意。
飞机超声速薄壳不失稳
在二战中,空军的重要作用日益明显,交战各国都在设法采用薄而轻的金属制造飞机的壳体，如果金属壳体太薄、太轻,高速飞行时,壳体就有可能因为超过一定载荷而皱瘪下去,即所谓发生“屈曲”而失稳,以致完全破损,折戟沉沙。
当时,航空设计人员依靠经典线性理论计算出来的数值,与实验值差距很大(几乎差上3至4倍),无法应用。人们实际上是凭借经验去设计薄壳金属飞机,成功率很低。冯·卡门深知解决这个难题在二战中的重大意义,于是又鼓励钱学森尽快解决“薄壳失稳”的问题。
1940年之初,钱学森系统地分析研究了前人在有关薄壳理论中的初步成果和大量失败的教训,还搜集了能够得到的点点滴滴的实验数据。他发现,航空界的科技人员当时所掌握和运用的经典理论,几乎没有考虑到非平板式的金属壳体在受到外界的干扰时,会被激发而发生位能的高低跃变。因此,不仅要知道经典线性理论所给出的“上”屈曲载荷的准确数值,还要特别注意找出使壳体发生有限变形时“下”屈曲载荷的准确数值。实际证明,对后者的计算结果与试验值十分接近,应该成为飞机设计的主要依据。这一新的发现和观念,很快被航空理论界和工程界所接受。
1941年,钱学森关于薄壳稳定性的科研成果,在美国的《航空科学学报》上,公诸于世,但是其篇幅只有10页,极为简明。他随后把这800多页手稿存放到纸袋里,并在纸袋外面写下了“Final”(最终的成果)字样。但他立刻想到,认识是无止境的,真理是相对的,于是,紧接着又在下一行写了“Nothing is final”(终极的认识是不存在的)。
参加“火箭组” 研制助推器
1938年秋天,冯·卡门和校长米立肯参加美国科学院所属的空军研究委员会召开的会议,会议提出发明一种火箭,能够助推重型轰炸机,使它能在很短的跑道上或从航空母舰上迅速起飞。当时传言纳粹德国正在发展火箭,美军感到特别紧迫。冯·卡门回到学校立即找马利纳、钱学森等人商议,决定接受这个名为“JATO”的任务。
火箭研究小组活动初期,没有经费支持,是靠这几个“火箭迷”自己掏腰包,或在学校实验室里打工挣点钱,然后去工厂的废料库、垃圾场等处,挑拣些可能有用的五金材料,回来敲敲打打,制造火箭模型。在他们开始研究火箭的固体推进剂时,爆炸试验屡屡失败,毁坏了学校的实验设备,生命安全也难保,被人们称为“自杀俱乐部”。冯·卡门只好把他们赶到校外一个偏远的山谷——阿洛约·塞科(Arroyo Seco)(几十年后,这个偏僻荒凉的山谷,发展成为美国宇航局著名的喷气推进实验中心的所在地)。钱学森为什么被邀请参加火箭研究小组呢?他这样回忆说:“马利纳这个人很聪明,小组的其他几个人动手能力也很强,但他们在理论上不怎么行,于是找到我,要我帮助他们解决一些理论和计算问题。”钱学森原本对火箭的制造与发射就十分有兴趣,也意识到火箭技术的军事意义,因而,对有关火箭的资料早有搜集、研究、分析。他的博士论文最后一部分就是探讨和论证,采用连续脉冲逐次推进的方法发射火箭的设计方案与计算。题目是:《探空火箭(特别是有关连续脉冲式推进的)飞行分析》。从理论上证明火箭的飞行高度可以达到10万英尺。
[2008-08-08]
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