杜剛：走一條少有人走的路

于曉杰

杜剛，北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院副教授，主要從事生物流體推進(jìn)的數(shù)值模擬、發(fā)動機部件氣動優(yōu)化設(shè)計和風(fēng)力機氣動設(shè)計研究工作。曾獲得2013年度國家自然科學(xué)獎二等獎和2012年教育部自然科學(xué)獎一等獎（均排名第三）；作為負(fù)責(zé)人主持國家自然科學(xué)基金面上項目“昆蟲拍動翅的變形和褶皺對其流動和氣動力的影響”“昆蟲著陸和障礙規(guī)避的運動學(xué)測量及流體力學(xué)機理研究”和國家縱向項目“矢量噴管氣動及紅外特性研究”，曾主持過“渦輪基組合動力單邊膨脹噴管”項目的噴管試驗與數(shù)值模擬研究部分，北航凡舟基金“昆蟲空氣動力學(xué)的流固耦合研究”，北航青年教師創(chuàng)新基金“5MW超大型水平軸風(fēng)電葉片氣動設(shè)計技術(shù)研究”。作為主要成員完成了自然科學(xué)基金項目“昆蟲機動飛行的流體力學(xué)及動力學(xué)”，國家“863”項目“風(fēng)機機組葉片的先進(jìn)翼型族的設(shè)計與應(yīng)用”的研究工作。

專家簡介：

杜剛的求學(xué)經(jīng)歷堪稱一段傳奇。從最初干石油鉆地下到后來轉(zhuǎn)到天上研究飛機，之后又轉(zhuǎn)到流體力學(xué)，再轉(zhuǎn)到發(fā)動機研究，還有新能源技術(shù)。從小昆蟲轉(zhuǎn)到大飛機再到風(fēng)力發(fā)電，這一連串的轉(zhuǎn)折在外人看來實在有點“雜”，但是在杜剛看來，這些歷程卻讓他的思路更寬廣，眼界更開闊，對于實現(xiàn)他的航天航空夢想都有極大的幫助。

“我的觀點是不要拘泥某一條格言或者原則，因為條條大路通羅馬，人生是豐富多彩的，每個人會走出各自不同的軌跡，有的人是直線的，有的人是曲線的，有的人是螺旋的，只要你要就聽從你內(nèi)心深處你最喜歡那個聲音去做就行了！”杜剛就是這樣一個果敢和堅韌的人，只要自己認(rèn)準(zhǔn)的事情，說做就做，從不后悔。他認(rèn)為，堅持一條路走下去，每天有所進(jìn)步，就肯定能積累出很大的成就。

石油世家走出航空嬌子

杜剛是四川人，生在一個石油世家。他的父親是西南石油大學(xué)的教授，家人都期望他能夠子承父業(yè)，在祖國的石油事業(yè)上有所建樹，甚至為他都規(guī)劃好了未來的藍(lán)圖。

然而在別人眼中近水樓臺的杜剛卻沒有去摘取那一輪月亮，從小就更對航空航天感興趣的他在讀完石油專業(yè)的本科之后，經(jīng)過一番艱難的抉擇，做出了人生中一個最大的決定，決定還是遵從自己內(nèi)心深處最真實的興趣和追求，考取了北京航天航空大學(xué)的碩士研究生。

這成為杜剛成長路上的一個全新起點，告別了四川的家人，獨自一人開始了京城的求學(xué)生涯。當(dāng)時是在北航的飛機設(shè)計系，主要是研究飛機的結(jié)構(gòu)以及強度等相關(guān)的知識，那是他幼年開始就夢寐以求的理想。

碩士畢業(yè)之后，杜剛開始師從孫茂老師，學(xué)習(xí)流體力學(xué)。當(dāng)時，正值國際上各種先進(jìn)微型制造技術(shù)、微機電系統(tǒng)、微電子和一體化技術(shù)有了迅速發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，人們提出了微型飛行器這一新概念。當(dāng)時設(shè)想的微型飛行器尺寸為10厘米左右，下一步將向厘米，甚至毫米量級發(fā)展。若采用傳統(tǒng)的氣動布局和飛行方式，微型飛行器會有低雷諾數(shù)下不能產(chǎn)生足夠的升力，大氣脈動速度與飛行速度同量級等問題，因而，應(yīng)該尋求空氣動力學(xué)新概念。

實際上，在自然界中已經(jīng)有了“智能化”的微型飛行器——昆蟲，它們經(jīng)過大自然幾億年的“實驗”和“選擇”，飛行技藝高超，體積小，機動靈活，正好滿足了人們的需要，微型飛行器應(yīng)該“仿效”它們。這就要求科研人員有必要深入了解昆蟲飛行的力學(xué)機理。杜剛向我們介紹說，昆蟲飛行的力學(xué)主要涉及空氣動力學(xué)，力能學(xué)和飛行動力學(xué)?？諝鈩恿W(xué)主要研究昆蟲所需的高升力是如何產(chǎn)生的；力能學(xué)探討在各種飛行狀態(tài)下，為產(chǎn)生足夠的升力和推力需要多大的功率及需用功率隨飛行參數(shù)的變化規(guī)律；飛行動力學(xué)則是研究飛行的動穩(wěn)定性和控制的問題。于是，杜剛跟隨孫茂老師開始研究昆蟲飛行，繼而進(jìn)行相關(guān)的流體力學(xué)數(shù)值仿真和觀測一類的工作。這幾年下來，杜剛感覺離自己的興趣點越來越接近，也更加明確了自己未來的研究方向。

但是，現(xiàn)實并非都是順風(fēng)順?biāo)?，在杜剛博士畢業(yè)的時候，為了能夠留校，博士后只能掛在能源與動力工程學(xué)院的發(fā)動機系，這對于他來講是一個完全陌生的學(xué)科，與之前的研究領(lǐng)域有比較大的差別，但是杜剛主動去適應(yīng)這一變化，在研究新的領(lǐng)域知識之外，并沒有放棄對于昆蟲飛行的研究，甚至將二者有機聯(lián)系，融會貫通。在杜剛看來，昆蟲的飛行也是一種推行，和螺旋槳、發(fā)動機的推進(jìn)有異曲同工的地方，也是有值得鉆研和借鑒的道理所在。博士后出站之后，杜剛留在了能源與動力工程學(xué)院當(dāng)老師，負(fù)責(zé)本科生的新能源方面的理論教學(xué)，但他仍然能夠把他對昆蟲的研究認(rèn)識融進(jìn)教學(xué)中去，給學(xué)生們帶來不一樣的生動感受。

昆蟲世界的秘密

杜剛幼年在四川家鄉(xiāng)的時候就對飛翔的昆蟲們感興趣，蜻蜓、蜜蜂、蝴蝶甚至是蚊蠅，為什么可以飛的那么快？為什么能夠在空中轉(zhuǎn)彎？又為什么能夠倒立地停在天花板上？一連串的問題也造就了他年少時那種樸素的航天夢像的剪影。直到他來到北航，遇到孫茂老師之后，一扇奇妙的科學(xué)大門轟然為他敞開。

孫茂教授是從美國普林斯頓大學(xué)歸來的“老科研”，從20世紀(jì)90年代中期就開始了昆蟲飛行的空氣動力學(xué)和飛行力學(xué)的研究，經(jīng)常用流體力學(xué)的專業(yè)知識去解決生物學(xué)上的一些國際前沿問題。師徒二人志趣相投，一見如故，開始了攜手探索昆蟲世界的奧秘之旅。

在他們之前的十多年里，人們在昆蟲飛行的空氣動力學(xué)、力能學(xué)和飛行動力學(xué)方面已經(jīng)做了大量的工作，也取得了一定地進(jìn)展，對氣動力產(chǎn)生的機理，需用功率隨飛行參數(shù)的變化規(guī)律，及飛行的動穩(wěn)定性都有了一定的認(rèn)識。但杜剛同時向記者解釋，幾乎在所有以上的工作中，無論是理論計算或是模型實驗研究，昆蟲翅膀均用剛性平板翅來代替，這雖然給研究帶來了很大的簡化，但現(xiàn)實中真實的情況是昆蟲飛行的過程里，翅膀需要拍得很快才能得到足夠大的推力，而實際上所有產(chǎn)生推力的翅膀都具有褶皺結(jié)構(gòu)和且都是會發(fā)生變形的。那么，在變形的情況下產(chǎn)生的氣動力和之前不考慮變形的時候會有什么不同？昆蟲是不是故意利用這種變形來產(chǎn)生高效的推力和升力呢？假如它的變形會產(chǎn)生影響，那么影響到底大不大？又是一連串的問題擺在了杜剛的面前，他明白，無論結(jié)論如何都將對這一領(lǐng)域的科研有非常重要的價值。endprint

杜剛要解決的第一個難題就是要得出結(jié)論——昆蟲在飛行中是如何變形的？而這幾乎算得上是一個世界性的難題，因為從理論計算上是算不出來的，世界上沒有一個公式可以做依據(jù)。只能依靠實際觀測。于是杜剛從數(shù)百萬種昆蟲中遴選具有代表性的8種，尺寸上要覆蓋從大到小，在拍動的頻率上，也要兼顧快慢。

杜剛和他的同事們開始用高速攝像機拍攝這些昆蟲飛行的瞬間，三臺攝像機全方位地進(jìn)行拍攝，之后再運用計算機數(shù)值模擬技術(shù)把結(jié)果演算出來，這樣變形時和不變形時的氣動力就能計算出差距了。

理論雖然如此，但是實際操作起來是一個極其枯燥和數(shù)據(jù)龐大的工程。昆蟲翅膀1秒鐘可以拍動約150次，相機1秒鐘拍5000張，一只蟲子飛一次，就得處理少則幾千張，多則上萬張的照片，有時候光處理一只蟲子的數(shù)據(jù)就得花上幾個月的時間。

杜剛無奈地表示，搞科研并沒有外界想象的那樣神秘和浪漫，更多的是面對這種枯燥，更需要你具有一種寧靜的心態(tài)。有些時候，可能因為某一個字母或者符號打錯了，結(jié)果程序就會報錯，但是你又一時找不出問題所在，就會卡在那里一兩個月進(jìn)行不下去。那段時間，用杜剛的話描述，每天就是“吃飯睡覺盯程序”，但是一直沒有解決，直到某一天，突然會豁然開朗才會找出問題所在。

在杜剛看來，這種“折磨”的經(jīng)歷也是人生中一種必不可少的歷練。他最愛讀的一本書叫《少有人走的路》，給他留下了難以磨滅的印象。杜剛非常推崇里面的一個觀點：當(dāng)你碰到問題的時候，一個成熟的人一定會選擇面對問題解決問題，而不成熟的人則會想方設(shè)法地繞過問題。書里說，你愿不愿意面對困難，是一個人成熟與否的標(biāo)志。杜剛把這句至理名言作為自己的座右銘，時刻勉勵自己，在困境中能夠咬牙堅持住。而經(jīng)歷風(fēng)雨之后，就會迎來美麗的彩虹。杜剛正是通過這種艱苦枯燥的實驗觀測的方式，捕捉到了昆蟲飛行中的變形狀態(tài)，經(jīng)過計算，得出了雖然昆蟲在飛行中翅膀是變形的，但是影響并不大的最終結(jié)論。這一結(jié)果發(fā)表在《實驗生物學(xué)》和《理論生物學(xué)》等雜志上，反響頗為強烈。杜剛的這一研究結(jié)果等于解決了一個很重要的問題，在此之后，研究昆蟲的科學(xué)家們就不必再去考慮昆蟲飛行中的褶皺和變形問題了，相當(dāng)于為這個領(lǐng)域的科研之路鋪平了一條之前困擾前行者的溝壑。

希望學(xué)生早日成材

杜剛另一個重要的身份是北航能源與工程學(xué)院的副教授，主講風(fēng)能課。從葉片的設(shè)計到發(fā)電機到齒輪轉(zhuǎn)動這一系列理論的基礎(chǔ)，本是枯燥的理論課程被杜剛講得風(fēng)生水起。他把風(fēng)能和他的老本行飛機的空氣動力學(xué)結(jié)合在一起，本來講用來發(fā)電的風(fēng)力機葉片，但是杜剛故意引導(dǎo)到飛機的機翼或者直升機的旋翼上去，用鮮活的實例替代冷冰冰的理論，讓學(xué)生們覺得新穎，聽起課來也覺得趣味盎然，同時杜剛這種獨特的授課風(fēng)格也將那些簡單化的理論上升到了比較深的層次。

杜剛推崇用引導(dǎo)的方式來幫助學(xué)生積累解決問題的能力，提升他們的獨立性。作為本科生的班主任，杜剛基本采取的是“放養(yǎng)”的狀態(tài)，他笑稱自己“不愿意”去見他們，因為他不想像家長那樣整天在學(xué)生的耳邊嘮嘮叨叨指手畫腳，他希望培養(yǎng)學(xué)生自己做決定，自己想辦法，自己承擔(dān)后果，自己總結(jié)經(jīng)驗，不要一遇到困難就求助老師幫忙。杜剛對于學(xué)生的請求從來都是點到為止，這樣幾番下來，學(xué)生有了問題，自然會想辦法通過看書、查各種文獻(xiàn)、利用各種軟件以及和同學(xué)交流討論等形式來解決。

杜剛希望自己的學(xué)生都能成為具有獨立思考能力和創(chuàng)新思想的科研工作者，他回憶起在美國紐約大學(xué)柯朗數(shù)學(xué)研究所和美國科學(xué)家一起做研究的那段日子，本來都是物理系的，但是他們研究的東西特別廣泛，沒有條條框框的束縛，比如他們會做一個像金字塔形狀的小飛行器進(jìn)行飛行測試，也會拿一塊圓形的糖用流動的水去沖刷它，流體和固體之間會產(chǎn)生一種摩擦力，進(jìn)而將圓形的糖變成了三角形。這些實驗在我們看來完全沒有什么工程實用價值，完全出自于興趣，但是卻創(chuàng)造了他們無與倫比的創(chuàng)新精神，這一點，我們確實存在著較大的差距，要盡力改變和迎頭趕上。

杜剛說，他這一生很幸運能在北航遇到很多大師級的學(xué)者，這些學(xué)者在當(dāng)今浮躁的學(xué)術(shù)氣氛中和那些耀眼的“學(xué)術(shù)明星”相比，顯得默默無聞，但是他們卻很專注地安靜平凡地做著自己的科研。這對杜剛的影響非常之大，他認(rèn)為，一所大學(xué)真正能流傳后世的東西，不是有多少大樓，多少獎狀，而應(yīng)該是一種純真的學(xué)術(shù)精神和強大的學(xué)術(shù)力量。他希望自己也能夠把這種學(xué)術(shù)精神傳承給他的學(xué)生們。

魯迅先生曾經(jīng)說過，世間本沒有路，走的人多了，也就成了路。然而在科學(xué)的道路上，杜剛并不想擠在熙熙攘攘的人群里亦步亦趨，他希望能夠走出一條屬于自己的精彩軌跡。談到未來，剛剛榮升為兩個孩子父親的杜剛最近忙得有點不可開交。生活、科研、教學(xué)以及和企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化合作，都滿滿當(dāng)當(dāng)?shù)嘏派狭巳粘?。但是他充滿了干勁，杜剛對記者說：“做事情的時候，只要是全身心的投入的話，是不會感覺到累的，相反，這些都是讓我非?？鞓返氖?！”endprint