航空航天领域的“带头大哥”是怎样炼成的(二)

—— 航空航天科学家系列之冯•卡门
作者:朱磊来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-03-16

冯·卡门,20世纪最伟大的航天工程学家,我国著名科学家钱伟长、钱学森、郭永怀居然都是他的亲传弟子。

  文接《航空航天领域的“带头大哥”是怎样炼成的(一)》

        3、不太愉快的读博经历

  冯·卡门来到了哥廷根大学。尽管哥廷根大学由于历经沧桑,建筑外表多已褪色,颇显古板俗气,但这所大学却不容小觑,它可是欧洲哲学、法学和语言学的滥觞,还是世界主要的数学中心之一。

图1 - 哥廷根大学一隅(维基百科)

哥廷根大学一隅(维基百科)

  冯·卡门的博士导师正是后来被称为“空气动力学之父”的普朗特。普朗特当时不过比冯·卡门大八岁,但已经是应用物理系的系主任了,在流体力学基础理论方面有杰出成就。

图2 - 普朗特(1875-1953,网络图)

普朗特(1875-1953,网络图)

  普朗特因为名下学生太多,便在一张卡片上写了十几个论文题目让学生自己选择,以免总有学生因论文题目的事儿打扰他。可是当他与冯·卡门初次见面时,这招却不灵了。冯·卡门端详着卡片,然后对普朗特说:“非常抱歉,先生,您所列的这些题目我都不感兴趣,我还是想继续从事之前在匈牙利研究的非弹性挠曲理论(注一)。”普朗特有些惊讶,在他看来非弹性挠曲理论稍显低级,不过他还是同意了冯·卡门的要求。

图3 - 杆件的挠曲示意图(网络图)

 杆件的挠曲示意图(网络图)

  然而当冯·卡门准备做实验的时候,却发现糟心的事情出现了。当时哥廷根的顶级科学家们研究的都是基础数学和相对论、原子物理学等“上流”学科,而冯·卡门他们研究的结构力学和挠曲理论则是“不入流”的,学校里根本没人关心他们。因此,当冯·卡门申请建造一台实验设备时,几个月都得不到回复。无法做实验,冯·卡门不免有些沮丧,深感毕业无望。

图4 - 普朗特和他的实验设备(网络图)

普朗特和他的实验设备(网络图)

  此处不留我,自有留我处!冯·卡门在哥廷根大学待了一年就跑掉了,他准备前往一个叫夏洛登堡工学院的地方。这所大学名不见经传,冯·卡门一进校门就有些后悔,研究条件居然比哥廷根还差得多!待了几个月,冯·卡门实在受不了,只好忍气吞声地回到了普朗特身边。

图5 - 冯•卡门:这博士念的我也很惆怅啊!(网络图)

冯•卡门:这博士念的我也很惆怅啊!(网络图)

  普朗特不但再次收留了冯·卡门,还告诉他一个好消息:有个叫克虏伯的军火商希望冯·卡门能帮他解决结构工程失效的问题,并愿意提供实验设备。原来,当时克虏伯的很多军事产品由于结构设计不合理而常发生意外破坏,他因此损失了不少银子,大为头疼的他觉得那帮只依赖经验公式的工程师根本靠不住,便找到了普朗特和冯·卡门,希望他们能提供更科学的结构设计方法。梦寐以求的实验设备竟然轻松解决了,冯·卡门仅用一年就顺利完成了博士论文,真应了“工欲善其事,必先利其器”的古语。

  冯·卡门虽然只用两年多就拿到了博士学位,但这两年他过得并不舒坦,因此他一毕业就溜到巴黎散心去了。

图6 - 冯•卡门(右)与友人(网络图)

冯•卡门(右)与友人(网络图)

       4、与航空的意外结缘

  1908年,冯·卡门在巴黎一待就是数月,白天听听居里夫人的讲座,晚上体验巴黎浪漫的夜生活,过得很是惬意。

  一天,一位在报社工作的友人兴奋地对冯·卡门说:“西奥多,明天早上将进行欧洲第一次两公里飞行表演,这一定会是个很有历史意义的事件,你开车送我去采访吧。”

图7 - 亨利•法尔芒1908年驾驶的飞机(网络图)

亨利•法尔芒1908年驾驶的飞机(网络图)

  尽管冯·卡门曾研究过发动机,但他当时一直没有接触过流体力学,误以为只有制造出很轻的发动机,才能把飞机送上天。鉴于当时的技术水平,他对飞行表演并没多少兴趣,便婉拒了友人的请求。无奈友人再三劝说,冯·卡门只好勉强答应了。

  次日一早,冯·卡门和友人来到了飞行表演的空地,映入冯·卡门眼帘的是一架双翼飞机。与其说它是飞机,不如说是用木头和金属丝制作的大号风筝,只不过多了一台发动机。冯·卡门一看到这架飞机,便来了兴致,心里不停嘀咕:这么个傻木架子,还拖着个很重的发动机,能飞起来吗?

图8 - 亨利•法尔芒曾驾驶的飞机(网络图)

亨利法尔芒曾驾驶的飞机(网络图)

  当天的飞行员是法国著名飞行家和飞机设计师亨利·法尔芒,曾创造过多次飞行记录。只见法尔芒熟练地启动发动机,飞机紧接着就奇迹般地飞了起来,在他的巧妙操纵下,飞机顺利完成了两公里的飞行任务。

  在一片欢呼声中,冯·卡门也难以抑制内心的激动,他感到飞行员驾驶飞机的动作十分帅气,航空飞行事业竟如此壮丽!他与航空的缘分就这样开始了。

图9 - 亨利•法尔芒(1874-1958,网络图)

亨利•法尔芒(1874-1958,网络图)

        5、重返哥廷根

  冯·卡门虽然对航空产生了浓厚兴趣,但当时身在巴黎的他尚不清楚自己能在飞行安全方面做哪些具体工作,毕竟刚博士毕业的他连工作都没着落呢。

  此时,普朗特再次向冯·卡门抛出了橄榄枝,他盛情邀请冯·卡门:“我们正在帮军方研制一种飞艇,人少,钱多,速来!”于是,冯·卡门又回到了哥廷根大学,这次他的身份不再是学生,而是讲师,虽然是编外的。

图10 - 1945年在德国,右起:钱学森、冯•卡门、普朗特(网络图)

1945年在德国,右起:钱学森、冯•卡门、普朗特(网络图)

  冯·卡门协助普朗特建造了哥廷根第一个风洞(注二),飞艇的设计与实验也很顺利。能够从事航空飞行的研究,冯·卡门感到很充实,可日复一日,他却愈发苦恼。他所苦恼的是自己编外讲师的身份。

  所谓编外讲师,就是没有得到学校正式聘请的教师,这意味着冯·卡门除了在实验室当助手的微薄薪资外,主要收入来自于听课的学生,学生越多收入才越高。尽管冯·卡门用从父亲那里学到的教学方法吸引了大量学生,收入也算不错,但迟迟等不来学校的正式任命,冯·卡门难免心烦意乱。

图11 - 冯•卡门与爱因斯坦(加州理工学院官网)

冯•卡门与爱因斯坦(加州理工学院官网)

  当时哥廷根汇集了一批科学大师,在数学家克莱因的组织下,爱因斯坦、希尔伯特、闵可夫斯基、能斯特等人常会聚在一起做学术讨论。编外讲师再不济也是讲师,冯·卡门因此便有机会参加这种高水平的学术讨论会。来自优秀数学家和物理学家的新奇想象和理论,让冯·卡门无比振奋,正是这一时期和大师们的交流让他为日后研究航空航天打下了基础,其中对他影响最大的是克莱因和希尔伯特。

图12 - 克莱因(1849-1925,网络图)

克莱因(1849-1925,网络图)

  克莱因是著名的数学家,也是出色的组织者,在他的引领下,哥廷根广纳贤才,成为世界数学研究的中心。克莱因还促成哥廷根大学成立了应用力学系,一直致力于数学、物理等学科在工程中的应用。克莱因劝年轻的讲师冯·卡门也这么做,冯·卡门很赞同:“领导说的对啊!”此后冯·卡门也一直从事科学与技术结合的工作。

图13 - 克莱因发明的克莱因瓶(网络图)

克莱因发明的克莱因瓶(网络图)

  希尔伯特则是数学史上最杰出的大师之一,和克莱因相比,他更关注基础理论,而不太在意科学的应用。事实上,希尔伯特很看不起克莱因的那套东西,而克莱因也认为希尔伯特这种纯数学家办不成事儿。

图14 - 希尔伯特(1862-1943,网络图)

希尔伯特(1862-1943,网络图)

  希尔伯特比冯·卡门年长20岁,虽然身材矮小,看上去毫不出众,但冯·卡门却为他的惊人才华所倾倒,希尔伯特也很欣赏头脑灵活的冯·卡门,两人遂成为忘年交。希尔伯特巧妙地解决了一系列数学和物理上的重要问题,这令冯·卡门坚信自然界具有数学本质,他后来总能从混乱的问题中得到数学解答。

图15 - 哥廷根大学数学研究所,冯•卡门就是在此受到了克莱因和希尔伯特等人的熏陶(维基百科)

哥廷根大学数学研究所,冯•卡门就是在此受到了克莱因和希尔伯特等人的熏陶(维基百科)

  奋发向上的冯•卡门会一直甘心做一名编外讲师吗?他又是因何成名的呢?敬请关注《航空航天领域的“带头大哥”是怎样炼成的(三)》

  注释:

  注一:挠曲,即构件的弯曲变形,例如,当杆件受到外力作用时将产生弯曲变形,杆件的轴线将会在垂直于轴线方向产生线位移(见正文示意图)。

  注二:风洞,空气动力学中用来产生气流的设备,试验时将模型或实物置于风洞中,利用人造气流,测定并研究空气在物体周围流动时所产生的作用。

  参考资料:

  [1] 冯·卡门,·爱特生. ·卡门——航空与航天时代的科学奇才[M]. 曹开成,. 上海:上海科学技术出版社,1991.

  [2] 赵国英,朱保如. 乘风扶摇——冯·卡门传略[J]. 自然辩证法通讯,1980(3):61-70.

  [3] W.R. Sears. Some recollections of Theodore von Kármán [J]. Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics, 1965,13(1):175-183.

  [4] S. Goldstein. Theodore von Kármán 1881-1963 [J]. Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society, 1966(12):334-365.

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