讓世界航空界致敬的中國(guó)科學(xué)家

涵薏

郭永懷 （1909-1968）

著名力學(xué)家? 應(yīng)用數(shù)學(xué)家? 空氣動(dòng)力學(xué)家

中國(guó)近代力學(xué)事業(yè)的奠基人

被授予“兩彈一星功勛獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

在空間飛行器運(yùn)行中存在“三大障礙”，分別是聲障、熱障和黑障。所謂聲障是指當(dāng)飛機(jī)速度接近音速時(shí)，飛機(jī)的阻力會(huì)劇增，并引起機(jī)體強(qiáng)烈振動(dòng)、操縱失靈等，最終會(huì)造成機(jī)身破裂，機(jī)毀人亡。而破解聲障難題后，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)當(dāng)飛行器的飛行速度達(dá)到2倍聲速時(shí)，其前端溫度可達(dá)100℃;當(dāng)飛行器的飛行速度達(dá)到3倍聲速時(shí)，其前端溫度可達(dá)350℃，超過(guò)了鋁合金的極限溫度，使其強(qiáng)度大大削弱。

此外，空氣和飛行器表面摩擦產(chǎn)生的熱量，不僅飛行員受不了，機(jī)內(nèi)許多設(shè)備無(wú)法工作，飛機(jī)結(jié)構(gòu)和材料也無(wú)法承受，這就是熱障。而黑障是發(fā)生在大氣層的一種特有現(xiàn)象，當(dāng)衛(wèi)星、航天飛船、洲際導(dǎo)彈等空間飛行器以很高的速度再入大氣層返回地球時(shí)，在一定高度和一定時(shí)間內(nèi)與地面通信聯(lián)絡(luò)會(huì)嚴(yán)重失效，甚至完全中斷。

在這三大障礙中，中國(guó)科學(xué)家郭永懷對(duì)聲障和熱障的研究都做作出了很大貢獻(xiàn)，尤其在攻克聲障的理論工作中取得了突破性貢獻(xiàn)。郭永懷長(zhǎng)達(dá)100頁(yè)的博士論文至今還留在美國(guó)NASA，其中的研究成果依然在指導(dǎo)著美國(guó)的飛機(jī)制造。

小漁村走出來(lái)的天才少年

1909年4月4日，郭永懷出生在山東省榮成市海邊一個(gè)海草房院落里，這個(gè)村莊的名字叫西灘郭家村，他的祖輩都是務(wù)農(nóng)出生，沒(méi)有特別出色的人才。郭永懷在家里排行老四，上面有3個(gè)哥哥。童年的生活十分艱苦，他年幼時(shí)候就去拾柴火、放牛和趕海，為家里減輕經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。但小小年紀(jì)的郭永懷展露出與眾不同的學(xué)習(xí)能力，他的叔父是老一代的秀才，當(dāng)時(shí)在私塾里教書，對(duì)這個(gè)侄子特別偏愛(ài)，建議大哥讓這個(gè)侄子進(jìn)入私塾好好讀書。郭永懷果然沒(méi)有辜負(fù)家人的厚望。在石島鎮(zhèn)的明德小學(xué)完成學(xué)業(yè)后，郭永懷被青島大學(xué)附中錄取為公費(fèi)生，成為了村子里第一個(gè)中學(xué)生。畢業(yè)后，家境貧寒的郭永懷沒(méi)有停止前進(jìn)的腳步，以優(yōu)異的成績(jī)考入了南開大學(xué)預(yù)科理工班，依然獲得了公費(fèi)生名額。

郭永懷十分珍惜南開大學(xué)的學(xué)習(xí)生活。在學(xué)校中，他謙恭好學(xué)，沉默寡言，堅(jiān)韌不拔，無(wú)論多難的題目，他都不會(huì)放棄，堅(jiān)持在冥思苦想中獨(dú)立完成。大學(xué)的生活十分愜意，同學(xué)們十分活躍，但是郭永懷卻是一心埋頭鉆研學(xué)問(wèn)，幾乎不參與玩樂(lè)活動(dòng)。

為了研究膠卷的感光知識(shí)，郭永懷向老師貸款購(gòu)置了一架照相機(jī)，在不停地?cái)[弄和拆裝中，他漸漸地弄懂了其中的原理。由此，他也立志未來(lái)要從事物理學(xué)研究。民國(guó)時(shí)代，物理系的學(xué)生除了科研工作外，在社會(huì)上很難找到“高收入”的工作，“好心”同學(xué)的“善意”提醒并沒(méi)有改變郭永懷的志向，在老師的推薦下，郭永懷進(jìn)入了北大物理系深造，成為了中國(guó)現(xiàn)代物理學(xué)研究的先驅(qū)者之一的饒毓泰教授的研究生。饒毓泰培養(yǎng)的學(xué)生還有楊振寧、黃昆、張守廉、鄧稼先、李政道等蜚聲海內(nèi)外的知名物理學(xué)家。

1937年抗日戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，郭永懷隨著北大遷往昆明，在西南聯(lián)大繼續(xù)工作學(xué)習(xí)。1938年夏，中英庚子賠款基金會(huì)留學(xué)委員會(huì)舉行了第七屆留學(xué)生招生考試，在3000多名參考者中，力學(xué)專業(yè)只招一名。郭永懷與錢偉長(zhǎng)、林家翹一起以5門課超過(guò)350分的相同分?jǐn)?shù)同時(shí)被錄取。因?yàn)榈诙问澜绱髴?zhàn)在歐洲爆發(fā)，海路出行遭遇困難，原本去英國(guó)學(xué)習(xí)的計(jì)劃擱淺，英國(guó)政府打算送這批留學(xué)生到英聯(lián)邦的加拿大學(xué)習(xí)。

突破“聲障困境”

1940年，郭永懷和錢偉長(zhǎng)、林家翹一起來(lái)到了加拿大多倫多大學(xué)求學(xué)，他們都師從學(xué)校應(yīng)用數(shù)學(xué)系教授、力學(xué)家辛格。辛格對(duì)三位出類拔萃的中國(guó)留學(xué)生十分器重，在那里，郭永懷完成了題為《可壓縮粘性流體在直管中的流動(dòng)》的論文，獲得了碩士學(xué)位。

碩士畢業(yè)后，郭永懷并沒(méi)有停下努力的腳步，他想要攻克當(dāng)時(shí)被譽(yù)為世界性難題的“聲障困境”。但是辛格教授對(duì)這個(gè)領(lǐng)域并不熟悉。為了實(shí)現(xiàn)自己的遠(yuǎn)大抱負(fù)，1941年，郭永懷赴當(dāng)時(shí)國(guó)際上著名的空氣動(dòng)力學(xué)研究中心――美國(guó)加州理工學(xué)院研究可壓縮流體力學(xué)，他和錢學(xué)森都成為了當(dāng)時(shí)最優(yōu)秀的流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)專家馮·卡門的學(xué)生。當(dāng)時(shí)加州理工學(xué)院的航空系正處于鼎盛時(shí)期，但是在精英薈萃的航空系也沒(méi)有人敢向這個(gè)難題挑戰(zhàn)，馮·卡門十分欽佩這個(gè)中國(guó)年輕人的挑戰(zhàn)精神。

在加州理工學(xué)院，郭永懷停止一切娛樂(lè)活動(dòng)，進(jìn)行了持續(xù)4年的艱苦的科研工作。除了與同學(xué)錢學(xué)森、錢偉長(zhǎng)、林家翹進(jìn)行學(xué)術(shù)討論外，他的生活就是獨(dú)立研究，并進(jìn)行大量的計(jì)算。1945年，他終于完成了有關(guān)跨聲速流動(dòng)不連續(xù)解的高難度論文，獲得了馮·卡門的高度評(píng)價(jià)。

在研究中，郭永懷發(fā)現(xiàn)了跨越聲速的一些現(xiàn)象，提出了“上臨界馬赫數(shù)”概念并得到了實(shí)驗(yàn)證實(shí)，為解決跨聲速飛行問(wèn)題奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。郭永懷還進(jìn)一步用穩(wěn)定性理論解釋實(shí)際臨界馬赫數(shù)會(huì)介于上下臨界馬赫數(shù)之間的原因，這也是關(guān)于高性能氣動(dòng)外型設(shè)計(jì)的先驅(qū)性工作。他還對(duì)激波和邊界層進(jìn)行了深入研究。邊界層是飛機(jī)飛行的時(shí)候表面上很薄的一層，幾十米長(zhǎng)的機(jī)翼，邊界層厚度大概只有10厘米，這層里面粘性起到了主要作用。在研究邊界層過(guò)程中，郭永懷運(yùn)用了特別有效的數(shù)學(xué)方法，這個(gè)方法后來(lái)被叫做“龐加萊—萊特希爾—郭永懷”方法，簡(jiǎn)稱PLK方法，用處非常廣，解決的都是各種實(shí)際問(wèn)題。

郭永懷在空氣動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域取得的非凡成績(jī)引起了美國(guó)各大學(xué)的關(guān)注。1946年，美國(guó)康奈爾大學(xué)邀請(qǐng)郭永懷前去任教，他在康奈爾大學(xué)航空研究生院工作了整整10年，專注于粘性流體力學(xué)的研究。

當(dāng)時(shí)的郭永懷已經(jīng)是美國(guó)知名科學(xué)家，他是美國(guó)航空咨詢委員會(huì)（即NACA， NASA的前身）47名委員中的3位華裔科學(xué)家之一，其他兩位就我們熟悉的錢學(xué)森和林家翹。

雖然專心致志從事科研工作，但郭永懷也時(shí)刻關(guān)心著祖國(guó)的發(fā)展。新中國(guó)成立前夕，在康奈爾大學(xué)中成立了“中國(guó)科學(xué)工作者協(xié)會(huì)美國(guó)分會(huì)”，郭永懷積極參與分會(huì)組織的各種活動(dòng)，和其他科學(xué)家們一起熱烈討論祖國(guó)的命運(yùn)和未來(lái)。他和夫人李佩渴望著回國(guó)的那一天，他們要利用自己所學(xué)報(bào)效祖國(guó)，建設(shè)新中國(guó)。

回國(guó)后做出巨大貢獻(xiàn)

郭永懷策劃歸國(guó)時(shí)，好友錢學(xué)森也在做相同的準(zhǔn)備。今天我們都知道，錢學(xué)森的回國(guó)之路也遇到了巨大阻礙，美國(guó)政府不允許他回國(guó)，還粗暴地限制了他的人身自由。在風(fēng)景秀麗的帕薩迪納，郭永懷和錢學(xué)森再次相聚，他們?cè)诋悋?guó)他鄉(xiāng)有機(jī)會(huì)就會(huì)在一起聊祖國(guó)，聊科學(xué)。但是此次的情況不同，聽著好友的各種傾訴，郭永懷的眉頭緊鎖，他不斷安慰著好友，也對(duì)自己的歸國(guó)之路充滿了擔(dān)憂。

1955年，在周恩來(lái)總理的干預(yù)下，錢學(xué)森終于回到了祖國(guó)，郭永懷欣喜不已，歸心似箭，1956年，郭永懷跟隨好友的步伐，放棄了美國(guó)優(yōu)渥的科研和生活條件，帶著妻女搭乘“克里弗蘭總統(tǒng)號(hào)”郵輪經(jīng)由日本，回到了闊別16年的祖國(guó)。他們看到祖國(guó)的第一眼，是灰色的海岸線上一些零散著的灰色的石頭房子，那里是日后的深圳。

1957年6月7日，郭永懷在《光明日?qǐng)?bào)》上發(fā)表了題為“我為什么回到祖國(guó)——寫給還留在美國(guó)的同學(xué)和朋友們”的署名文章，表達(dá)了自己的心聲。他在這篇文章中這樣寫道：“這幾年來(lái)，我國(guó)在共產(chǎn)黨領(lǐng)導(dǎo)下所獲得的輝煌成就，連我們的敵人，也不能不承認(rèn)。在這樣一個(gè)千載難逢的時(shí)代，我自認(rèn)為，我作為一個(gè)中國(guó)人，有責(zé)任回到祖國(guó)，和人民一道，共同建設(shè)我們美麗的山河?！?/p>

歸國(guó)后，郭永懷的第一項(xiàng)工作就是與錢學(xué)森一起領(lǐng)導(dǎo)剛成立的中國(guó)力學(xué)研究所。他和同事們一起制定了力學(xué)所未來(lái)“上天、入地和下?！钡目蒲蟹较?。他和錢學(xué)森的合作親密無(wú)間，這個(gè)科學(xué)家二人組當(dāng)時(shí)被人們風(fēng)趣地冠之以“馮卡門Brothers（馮卡門兄弟）”的稱號(hào)。

20世紀(jì)50年代，全球開始進(jìn)入空間時(shí)代，發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛進(jìn)行火箭和人造衛(wèi)星的研究，飛行器的速度需要接近或者高于第一宇宙速度，這樣才能擺脫地球引力，順利進(jìn)入太空。高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)是其中的重要研究?jī)?nèi)容，在帶領(lǐng)力學(xué)所科研人員攻關(guān)的過(guò)程中，郭永懷把目光又放到了熱障領(lǐng)域，當(dāng)飛行器的速度到達(dá)2倍聲速時(shí)，飛行器周邊的空氣會(huì)強(qiáng)烈壓縮和摩擦，形成高達(dá)幾千攝氏度的高溫，如果用普通的材料，飛行器會(huì)快速坍塌和溶解。郭永懷提出，要解決這個(gè)問(wèn)題，必須要在飛行器表面開展防蝕研究。在研究理論的同時(shí)，力學(xué)所開展了各種材料的防燒蝕研究，進(jìn)行了幾百次的大型試驗(yàn)，這些研究為中國(guó)科研人員之后突破熱障難題奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在之后的科研生涯中，郭永懷根據(jù)國(guó)家的需求又在爆炸物理學(xué)、電磁流體力學(xué)方面作出了突出的科研貢獻(xiàn)。

1959年6月，蘇聯(lián)單方面突然致函中共中央，拒絕向中國(guó)提供原子彈的數(shù)學(xué)模型和技術(shù)資料，并撤走所有技術(shù)和專家。1960年3月的一天，后來(lái)被稱之為中國(guó)原子彈之父的錢三強(qiáng)突然上門來(lái)找郭永懷，兩人走進(jìn)書房，門一關(guān)，足足談了三個(gè)小時(shí)。

正是這一次拜訪，使得郭永懷的名字和中國(guó)原子彈聯(lián)系到了一起。105名專家學(xué)者組成了一支特殊的隊(duì)伍，郭永懷臨危受命負(fù)責(zé)原子彈的理論探索和研制工作。他和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家王淦昌落、段理論物理學(xué)家彭桓武一起，組成了中國(guó)核武器研究最初的三大支柱。

意外身亡令人扼腕嘆息

1963年，郭永懷和同事們趕赴位于青海的核武器研制基地?；匚挥诤０?800多米的高原地區(qū)，條件異常艱苦，那里氣候變化無(wú)常，冬季最低氣溫零下40度，物資又十分匱乏。郭永懷和同事們沒(méi)有被困難打倒，全力開展核武器的研究工作。爆轟物理試驗(yàn)，是突破原子彈技術(shù)的重要一環(huán)，為了取得滿意的爆炸模型，郭永懷帶領(lǐng)隊(duì)員反復(fù)試驗(yàn)，甚至自己跑到帳篷去攪拌炸藥。在多次試驗(yàn)后，郭永懷提出了兩路并進(jìn)、最后擇優(yōu)的辦法，為第一顆原子彈爆炸確定了最佳方案，這種方案后來(lái)被應(yīng)用于中國(guó)整個(gè)第一代武器研制過(guò)程。

1964年10月16日，中國(guó)第一顆原子彈裝置爆炸試驗(yàn)取得圓滿成功，1967年6月17日，中國(guó)第一顆氫彈爆炸試驗(yàn)成功。當(dāng)蘑菇云升起，全體工作人員一片沸騰，郭永懷也是激動(dòng)異常。

1968年12月4日，在青?；卣袅藘蓚€(gè)多月的郭永懷，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要線索，他要趕回北京。他匆匆從青?；刳s到蘭州，就在蘭州換乘飛機(jī)的間隙里，他還認(rèn)真地聽取了課題組人員的情況匯報(bào)。

12月5日凌晨，飛機(jī)在首都機(jī)場(chǎng)徐徐降落，在離地面400多米的時(shí)候，突然，飛機(jī)失去了平衡，偏離降落的跑道，歪歪斜斜地向1公里以外的玉米地里一頭扎了下去——只聽“轟”的一聲，飛機(jī)前艙碎裂，緊接著火焰沖天躥起……迎接郭永懷的人們從驚異中清醒過(guò)來(lái)的時(shí)候，急忙向出事現(xiàn)場(chǎng)飛奔過(guò)去，看到機(jī)艙內(nèi)有兩具燒焦的尸體緊緊抱在一起，他們是郭永懷和警衛(wèi)員牟方東。當(dāng)把他們分開后，兩人緊貼的胸部掉出一個(gè)完好無(wú)損的裝著絕密文件的公文包，絕密文件是從青海試驗(yàn)基地帶回北京的熱核導(dǎo)彈試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在人生的最后一刻，他們想到的依然是保護(hù)絕密的科研資料。

郭永懷飛機(jī)失事的消息第一時(shí)間傳到國(guó)務(wù)院，周恩來(lái)總理失聲痛哭，良久不語(yǔ)，郭永懷犧牲的第22天，中國(guó)第一顆熱核導(dǎo)彈試驗(yàn)獲得了成功，為了這次試驗(yàn)，郭永懷和同事們同樣付出了艱辛的努力。

在紀(jì)念郭永懷殉國(guó)10周年的大會(huì)上，時(shí)任中科院秘書長(zhǎng)的郁文高度評(píng)價(jià)了郭永懷的一生，“他是一個(gè)老老實(shí)實(shí)的科學(xué)家，老老實(shí)實(shí)的共產(chǎn)黨員，他從來(lái)就是說(shuō)真話，不說(shuō)假話，從來(lái)不會(huì)趨炎附勢(shì)。一個(gè)人能夠做到先公后私已經(jīng)很不容易，公而忘私更是難能可貴，而郭永懷同志真正做到了大公無(wú)私。”

1988年12月5日，當(dāng)郭永懷犧牲20周年的時(shí)候，他生前的老師、同窗好友、同事以及學(xué)生聚集力學(xué)研究所舉行報(bào)告會(huì)，周培源、錢學(xué)森、錢三強(qiáng)、張愛(ài)萍、王淦昌、彭桓武、朱光亞等到會(huì)并撰寫紀(jì)念文章。聶榮臻元帥、宋任窮、張勁夫等題詞紀(jì)念這位英雄科學(xué)家。

1991年開始，中科院力學(xué)所設(shè)立了以郭永懷名字冠名的獎(jiǎng)學(xué)金，作為對(duì)力學(xué)所品學(xué)兼優(yōu)的研究生的最高獎(jiǎng)勵(lì)。

1999年郭永懷被授予“兩彈一星功勛獎(jiǎng)?wù)隆保窃撊后w中唯一一位獲得“烈士”稱號(hào)的科學(xué)家。

2018年7月，國(guó)際小行星中心發(fā)布公告，編號(hào)為212796號(hào)的小行星被永久命名為“郭永懷星”。（本文圖片由作者提供）