航空航天时代的科学奇才：六岁心算六位数乘法，十几岁获得国家奖

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日期：2019年12月04日

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来源:李昭辉

西奥多•冯•卡门(1881—1963)20世纪最伟大的航空航天科学家，美国第一枚“国家科学勋章”的获得者，开创了数学和基础科学在航空航天和其他技术领域的应用，被誉为“航空航天时代的科学奇才”。冯•卡门一生桃李满天下，他是著名科学家、“中国火箭之父”钱学森先生的导师，而著名科学家钱伟长、郭永怀等也都是冯•卡门在美国加州理工学院的亲传弟子。

西奥多·冯·卡门（Theodore von Kármán）是匈牙利著名的数学家和物理学家，据称，早在六岁的时候他就能心算六位数的乘法，这让他的父亲（匈牙利著名的教授和教育改革家）感到震惊，并警告小卡门说，这样做会让他变得有点“畸形”，并不准小卡门继续思考数学问题，而是命令他阅读历史、诗歌和地理。幸运的是，不久之后，冯·卡门就把父亲的禁令抛到了脑后，重新拾起了自己心爱的数学。十几岁时，卡门就获得了国家级的数学奖，之后还获得了德国哥廷根大学的奖学金。20世纪初，正是在哥廷根大学，冯·卡门提出了现代空气动力学的基本数学基础理论之一，该理论可解释空气在飞机机翼上方流动时产生的阻力。

上图：西奥多·冯·卡门（1881-1963），匈牙利犹太人，1936年入美国籍，是20世纪最伟大的航空航天工程学家之一，开创了数学和基础科学在航空航天及其他技术领域的应用之先河，被誉为“航空航天时代的科学奇才”。我国著名科学家钱伟长、钱学森、郭永怀都是他的亲传弟子。

1926年，德国国内已经隐约出现了排犹的迹象，这也算是未来犹太人将遭受的厄运的先兆。这一年的夏天，冯·卡门接到了一封电报，上面写着：“乘坐哪艘船能让您尽快地抵达我这里？——密立根。”

罗伯特·安德鲁·密立根（Robert Andrews Millikan）是位物理学家，进行过一系列测定电子电荷以及光电效应的工作，包括著名的“油滴实验”，并获得过1923年的诺贝尔物理学奖，他当时任加州理工学院的院长。接到这封电报后，冯·卡门只知道密立根邀请他去加州理工学院，但去了之后干什么则是个谜。十天后，一封来信解释了加州理工学院邀请冯·卡门的原因：让他来美国加利福尼亚州的帕萨迪纳市，帮助设在该地的加州理工学院建立一个航空实验室。这一年的秋天，冯·卡门从哥廷根休了假，暂时离开了在德国的教学岗位，这也是冯·卡门在哥廷根任教以来的第一次休长假。他这次对加州理工学院的访问将给美国的航空科研事业，以及未来战争中的美军航空装备研发产生巨大的影响。

上图：冯·卡门正在给学生授课。

密立根坚信，加州理工学院的所在地南加州将成为美国飞机工业兴起的地方。冯·卡门来到此地后也表示：“我一直坚信，我一生的目标就是消除科学理论与工程应用之间的鸿沟。”

不过，虽然来到了美国，但冯·卡门暂时还不愿意与德国和哥廷根大学断绝关系，他一再拒绝了加州理工学院方面要提供给他一个永久性职位的建议。直到纳粹势力在德国逐渐猖獗起来后，冯·卡门才最终坚定了留在美国的决心。1934年，他给自己在哥廷根大学的老导师写了一封充满讽刺意味的信，信中写道：“在德国从事学术生活具有一定的优势，例如这里的啤酒就绝对要比美国的好喝，但我想您肯定会同意我的看法，即这些优势绝对无法让我忽视现在德国国内的种种问题。”当年晚些时候，纳粹政权与冯·卡门取得了联系，并向他提出了一系列建议，要求他回到德国，入职航空部担任顾问。由于当时纳粹德国正在加速重整军备的原因，故其航空工业，特别是军事航空工业有了迅速的发展。冯·卡门也知道，如果选择为纳粹效力的话，自己未必会被送进集中营，因为当时德国负责航空工业的空军元帅赫尔曼·戈林就说：“是不是犹太人由我说了算。”但是，据冯·卡曼回忆说，他毫不留情地嘲笑了纳粹当权者向他发出的邀请，并一直留在帕萨迪纳。

上图：冯·卡门（中）在航空测试现场。

在距离加州理工学院不远的加利福尼亚州圣莫尼卡市，成立于1920年的道格拉斯飞机公司正在发展自己的业务，当时该公司在一些小项目上都会向加州理工学院寻求帮助。20世纪30年代初，道格拉斯公司开始设计DC-1型运输机的原型机，这也是该公司设计的第一架全金属构造的下单翼飞机。由于是“第一次”，因此该公司面临着巨大的设计方面的挑战。然而，也正是这些挑战，为冯·卡门和密立根提供了弥合科学理论研究与实际工程应用之间的鸿沟的绝好机会。在DC-1飞机的研制过程中，设计人员通过风洞测试发现，随着飞行速度的提高，涡流会在机翼前缘破裂并产生湍流，紊乱的气流会打在机尾上，从而使整个机尾（包括方向舵和升降舵）剧烈晃动，这是个经常出现的问题。冯·卡门亲自动手，通过缜密的数学分析和物理方程推导，迅速解决了这一关键问题。他得出结论说，问题出在机翼与机身的连接处，二者是以呈锐角的方式连接的，可以将锐角改为用圆弧过渡，使机翼和机身平滑地连接。他后来回忆说：“我喜欢爬进10英尺（约3.05米）长的风洞，身上沾满了油灰，并想像自己就是一架飞机，因为我试图感觉到空气有可能在哪些地方被压缩。”“以这种方式进行了多次试验后，我们怀疑，当空气流经机翼和机身之间的转角时，其流动会发生困难；而当用平滑的圆弧过渡取代了原先拐角处的锐角连接后，空气流动就顺畅了。”

冯·卡门的贡献奠定了DC-1型飞机成功的基础，这款飞机的研制费用在20世纪30年代堪称是一个天文数字──高达306778美元，这让道格拉斯公司一贯作风节俭的老总心疼地常常彻夜难寐。然而，这款全金属构造、双发动机的单翼飞机融合了当时先进的整流罩和发动机舱设计，堪称是当时世界上最先进的航空交通工具，没有之一。

上图：道格拉斯DC-1型飞机。

随后，以DC-1为基础，道格拉斯飞机公司推出了一系列辉煌的作品，在1930~1940这十年间主宰了世界航空市场。他们先是设计出了DC-2型飞机，不久又推出了著名的DC-3型飞机。DC-3型飞机于1935年年底问世，可以视为DC-1型飞机的“终极改进版”，其巡航速度为330千米/小时，满载货物时的航程接近1600千米。第二次世界大战期间，美国飞机工业在短短几年之内就制造出了数量惊人的10000架DC-3飞机的军用版本——C-47型运输机。在战争中，C-47是同盟国航空运输当仁不让的绝对主力，从欧洲到太平洋，其在每个战区都圆满地完成了一系列任务，如运送物资、拖曳滑翔机和空投伞兵，特别值得一提的是，C-47运输机还大量用于从印度向我国空运物资的“驼峰航线”，为中国人民的抗战事业作出了不可磨灭的贡献。然而，在DC-3/C-47飞机出色性能的背后，我们不应忘记那位将科学理论变为工程现实的天才——冯·卡门。

上图：正在“驼峰航线”上飞行的C-47运输机。二战期间，道格拉斯飞机公司制造了上万架C-47运输机，而且苏联等国也按许可证生产了3000多架此类飞机。

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