算法数学俱乐部
日期：2019年02月21日
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来源:李昭辉
“冯·卡门这位充满传奇色彩的科学家利用一切可能的手段将美国的航空航天科研工作推向了未来。”匈牙利裔科学家西奥多·冯·卡门（Theodore von Karman）被认为是20世纪最伟大的航空航天科学家之一。然而，与他在技术方面的工作同样卓越和重要的，是他在科研活动组织，尤其是与航空军事装备方面的科研活动组织统筹有关的成就。在美国航空航天事业的发展史上，还从来没出现过像冯·卡门和号称“美国现代空军之父”的亨利·哈普·阿诺德将军这样的搭档——这二人的结合产生了无与伦比的创造力，他们努力的结果是使美国空军在航空装备方面获得了无与伦比的性能和战斗力。
上图：西奥多·冯·卡门不仅仅是位理论科学家，在工程实践方面他也有突出的贡献，尤其是在美国空军的航空武器装备方面。时至今日，人们仍然能够感受到冯·卡门对美国空军的影响。
冯·卡门可以把阿诺德将军对未来发展的一些看法阐述清楚，因为后者并不总是能清楚地说明自己的观点。也就是说，冯·卡门在军方、科学家和科研机构之间建立了强有力的联系，也为阿诺德提供了新的想法和建议。反过来，阿诺德也为冯·卡门提供了科研方面的资源、设备、项目、方法和自主权，而且程度远远超过了以往。此外，阿诺德还为冯·卡门提供了广泛的“特权”，其可用来制订未来的军事航空需求，甚至是军事组织架构，这使冯·卡门可以充分发挥自己的才华，来指导着美国空军朝着阿诺德将军所设想的方向发展。冯·卡门和阿诺德这两个人的背景和个性是截然不同的，这让许多人感到惊讶，因为两个性格截然不同的人居然能共同努力并成功地实现了目标。阿诺德脾气暴躁，他经常直言不讳地指出问题；与此同时，对阿诺德指出的这些问题，冯·卡门总是旁敲侧击地点明，让人心悦诚服地去改正，而不是强行命令别人去服从自己的意志。阿诺德是位大人物，他直率豪爽甚至有些粗鲁，往往会对下属工作不够迅速而感到不耐烦。相反，冯·卡门就要谦逊得多，而且绝对不会与人发生冲突。最重要的是，他们二人在所谓的“工作节奏”上也是“不合拍”的：阿诺德一直在以最快的速度把工作向前推进，这也迫使他的助手们以越来越快的速度做越来越多的事情；相反，冯·卡门却总是能将事业和娱乐放松有机地融合在一起。
上图：被誉为“美国现代空军之父”的亨利·哈普·阿诺德将军。
尽管冯·卡门的许多同事都以是一名纯粹的科学家为荣，但冯·卡门并没有单纯停留在理论层面，他还在整个航空航天科研工作中从事过不少实际的事务。例如，他曾参与过直升机、齐柏林飞艇以及各种有人驾驶飞机（从滑翔机直到火箭动力飞机）的实际设计工作，并为之做出过贡献。冯·卡门还是风洞的早期倡导者，他改进了风洞的设计，并确保了他所供职的机构可以在需要时使用这些风洞。尽管冯·卡门的性格和日常的工作作风属于比较“静态”的，但他是一位出色的组织者和管理者，是一位似乎不需要文书工作的领导者。不过，在其内心，冯·卡门始终控制着他所掌管的每个科研部门的预算数字。总共有四个因素使冯·卡门获得了为推动人类航空航天事业的发展作出贡献的能力：首先，他在技术方面的天分很早就被展现了出来，这一点通过他一生中的许多科学发现和发表的数百篇论文即可得到证实；其次，他的远见超越了与他同时代的人，并导致他在一生中取得了很大的成就；再次，从军方高级将领到学生，他都能为各个层次的人提供咨询；最后，要归功于他身上的那种领导力，这种天分往往让他不必下命令就能让手下的人心甘情愿地去执行。
西奥多·冯·卡门是家里的第三个孩子，他于1881年5月11日出生在匈牙利首都布达佩斯的一个中产阶级犹太人家庭中。他的父亲莫里斯·冯·卡门（Maurice von Karman）是布达佩斯市彼得·帕兹曼尼（Peter Pazmany）大学的哲学和教育学教授，他的母亲海伦（Helen）来自一个诞生过多位学者的家族，她本人也是一位聪明而有教养的女人。小西奥多早在六岁时就展现出了他在数学方面的才华：他能轻松地心算六位数的乘法，速度比成年人在纸上笔算要快得多，他对这种“游戏”乐此不疲。不过，由于担心他在数学方面的能力会限制他在历史和文学等其他领域的发展，因此冯·卡门的父亲禁止他在长大之前接受高等数学方面的训练。令人感到奇怪的是，冯·卡门的职业生涯起步得比较缓慢，这部分原因是当时欧洲学术界的风气，部分原因是他与路德维希·普朗特（Ludwig Prandtl，此人被认为是近代空气动力学的奠基人）的竞争带来的不利影响，还有部分原因是他需要服兵役。1902年，冯·卡门以优异的成绩毕业于布达佩斯的皇家约瑟夫理工大学。他发表的第一篇论文讨论了一个数学公式，该公式可用于计算防止活塞式发动机气门震动所需的质量。冯·卡门的一大专长是可以感知抽象过程中的基本物理量，然后用相对简单的数学方法对其进行分析。完成分析后，他会在实验室里对结果进行测试，然后将其应用于实际的工程问题之中。大学毕业后，冯·卡门被奥匈帝国的皇家陆军应征入伍，并在炮兵部队服役了一年，于1903年退伍，并以预备役人员的身份回到布达佩斯，担任皇家约瑟夫理工大学的助理教授。1906年，他发表了第一篇获得学术界公认的论文《长细圆柱体的屈曲和压缩测试理论》。事实证明，对于设计桥梁、建筑物和飞机的工程师来说，这篇论文的价值简直是不可估量的。
上图：冯·卡门正在给学生授课。
1906年下半年，冯·卡门获得了德国哥廷根大学的奖学金。在哥廷根，他开始了与普朗特的长期“对掐”。普朗特在随后的几年中注意到，冯·卡门无需在基础研究领域投入和普通人一样长的时间就会作出发现，并由此而出名。不过，这些发现与冯·卡门发表的论文《关于运动物体在流体中遇到的阻力的机理》（这也是普朗特一直在研究的课题）无关。最初，普朗特是冯·卡门的导师，并且毫无保留地将知识传授给了后者。随着发表了一系列颇受好评的论文，冯·卡门的名气也越来越大。普朗特可能是产生了嫉妒心理并开始冷漠地对待冯·卡门，并且不再指导冯·卡门的科研工作。
直到六年后，冯·卡门才在德国获得了一个职位。他于1913年2月入职德国亚琛空气动力学研究所并担任所长。冯·卡门立即着手开展了相关工作，试图使该研究所成为空气动力学研究的主要中心。在此期间，他成了德国工业家雨果·容克斯（Hugo Junkers）的朋友，后者给冯·卡门提供了一系列人脉关系和科研合同。冯·卡门的第一个成就是将亚琛空气动力学研究所的风洞从传统的开放式风洞改造成了更现代化的封闭式循环风洞，并使用新风洞对若干基本设计进行了测试，这些工作为容克斯公司推出的一系列全金属、悬臂翼飞机的研制成功奠定了基础。1914年8月，第一次世界大战爆发，冯·卡门被军队召回现役。1915年2月，他设计了用于保卫布达佩斯的炮台。1915年8月，他被任命为奥匈帝国航空兵团的研究总监，并获得了大量研究设备和人员。这是一份颇为理想的工作，冯·卡门将一个齐柏林飞艇的机库改造成了一间实验室，探索了自己的许多想法，包括飞机上使用的自封式油箱和机枪同步射击协调器。
上图：年轻时的冯·卡门博士。
冯·卡门注重名为“旋翼驱动空中系留飞行器”（德语：Schraubenfesselflieger），即PKZ1型直升机的研制工作，这种飞行器旨在代替用于炮兵侦察任务的热气球，后者是很危险的，因为其极易燃烧。“旋翼驱动空中系留飞行器”由一台奥地利-戴姆勒电动机提供动力，旋翼转速为700转/分，并至少进行了4次试飞。冯·卡门的同事、工程师威廉·祖罗维克（Wilhelm Zurovec）中尉在此基础上继续进行了PZK 2型直升机的设计工作，PZK 2型直升机安装了三台100马力的“诺姆”转子发动机，并且采用了反向旋转的旋翼。第一次世界大战以英、法、美等协约国的胜利而告结束，作为战败国，奥匈帝国的军官在出国旅行方面受到了限制，因此冯·卡门只能留在布达佩斯，担任他父亲之前在教育部所担任的职务。1919年，他回到德国亚琛，此时的亚琛空气动力学研究所已成长为一家优秀的航空科研机构。在亚琛，冯·卡门这位来自匈牙利的“外籍专家”因主办了1922年在奥地利因斯布鲁克举行的国际空气动力学和流体力学大会而声名鹊起。他打破惯例，邀请了之前在战争中相互敌对的国家的科学家参加了这次会议。
1926年，冯·卡门作出了他一生中最重要的决定。在母亲的建议下，他同意前往美国，在加利福尼亚州帕萨迪纳市的加州理工学院古根海姆航空实验室担任顾问。著名的物理学家罗伯特·密立根当时是加州理工学院执行委员会的主席，他劝说冯·卡门来美国，并向后者展示了这样一幅前景：只要冯·卡门适应了加州的气候，他就会拥有可观的薪水（大约是他在亚琛的收入的三倍）、新的科研设备以及组建新的航空科研中心的机会。尽管直到1929年10月才正式作出决定，但冯·卡门最终还是留在了美国。到那时，他已经目睹了很多事情，包括纳粹运动在德国的兴起，这预示着未来该国对犹太人的迫害。在帕萨迪纳，冯·卡门在科研、组织、教学、行政和公共关系方面均获得了极大的成功，与他在亚琛获得的成功不相上下。他与道格拉斯飞机公司建立了密切的合作关系——道格拉斯飞机公司最初还派人担任过加州理工学院飞机设计课程的讲师。不久，加州理工学院完成了古根海姆航空实验室的建设工作，其中包括以时速320千米/小时的风洞为主的研究设施。该风洞很快就实现了全时段开放，其他飞机制造商也可以使用。正如密立根所希望的那样，南加州正吸引着越来越多的航空制造商的到来。
上图：道格拉斯DC-1型飞机，冯·卡门为该机的研制工作做出过重要贡献。
尽管加州理工学院当时的毕业生不多，但他们取得的成就却是杰出的，而且所有的人都受益于与冯·卡门的密切关系。冯·卡门于1936年正式成为美国公民。冯·卡门还发现了像弗兰克·马利纳（Frank J. Malina）这样的学生的才华，尽管马利纳感兴趣的是火箭而冯·卡门对该领域较为陌生，不过这对冯·卡门而言并不重要。马利纳后来还帮助成立了美国航空航天局（NASA）的喷气推进实验室，并在火箭科学的发展中发挥了重要作用。由于拥有像马利纳这样的学生，并且在航空业取得了许多成就，因此在短短的10年间，冯·卡门就将古根海姆实验室提升到了哥廷根的水平，当时他的老对手普朗特仍主管着哥廷根的空气动力学和流体力学科研工作。此外，冯·卡门通过发表那篇题为《机理相似性和湍流》的论文而在自己的这一领域达到了顶尖水平，而且他很高兴地将这篇论文提交给哥廷根科学学会审阅。当冯·卡门以实验的方式验证了他的这些发现，并将结果发表在《航空科学学院学报》上之后，连普朗特也不得不承认他在该领域的杰出地位了。冯·卡门提出的湍流定律不仅具有学术上的意义，而且其几乎影响了航空的各个方面：从当时已经在衰落的飞艇到当时几乎还没有人探索过的火箭技术，再到未来的超音速飞机领域。令人感到奇怪的是，冯·卡门与哈普·阿诺德长期而甚笃的交往始于火箭技术，不过这两个人对火箭都没有强烈的兴趣。冯·卡门对马利纳及其同事的信心远胜于他对火箭的信心。马利纳及其同事因所研究的火箭较为危险而被人们称为是“自杀俱乐部”，不过冯·卡门允许这群“自杀俱乐部”的人在校园中进行实验，并最终导致了关于“喷气辅助起飞”（Jet-Assisted Take Off，JATO）的首次研究。冯·卡门还颇有公关意识，由于意识到直接说是“火箭试验”会引发其他人的担心，因此他使用了“喷气”（Jet）而不是“火箭”（Rocket）一词——要知道，当时加州理工学院的许多科学家都对“火箭”这个字眼很敏感，他们觉得那是“科学幻想的产物”。
上图：在马利纳的火箭研发团队制定完最后的计划后不久，这架“爱罗卡普”（Ercoupe）型飞机就被28磅（约12.7千克）火箭燃料燃烧后产生的推力“扔”向了天空。
早在第一次世界大战时期，密立根和曾任美国陆军航空兵指挥官的阿诺德就是朋友了。阿诺德经常访问加州理工学院，在那里，密立根将冯·卡门引荐给了他。尽管在许多方面存在差异，但冯·卡门和阿诺德还是成为了朋友。冯·卡门回忆起了他当初在奥匈帝国的军队中担任军官的日子，他很高兴阿诺德这位美国陆军航空兵的后起之秀对他表示出了尊重。在1938年5月的一次访问中，阿诺德参观了加州理工学院进行的火箭试验，并意识到了其在协助较重的飞行器起飞方面的潜力。联合飞机公司的鲁本·弗利特（Reuben H. Fleet）也对火箭很感兴趣，因此他与加州理工学院签订了一份关于开展“喷气辅助起飞”可行性研究的合同。经过数月的试验，通过将冯·卡门的理论方程式和马利纳的试验相结合，证明“喷气辅助起飞”是可行的。1941年8月12日，加州理工学院的毕业生荷马·布谢伊（Homer A. Boushey）上尉成功完成了美国历史上首次“喷气辅助起飞”，当时他驾驶着一架小型民用“爱罗卡普”型飞机在加利福尼亚州的玛驰机场上成功地起飞了。
上图：冯·卡门（中间执笔者）正在机翼上草拟某项计划，周围是他的研究团队，从左至右分别是克拉克·密立根、马丁·萨姆菲尔德、弗兰克·马利纳和荷马·布谢伊上尉。
从那时起，阿诺德与冯·卡门之间，以及科学家与军方之间的关系就变得越来越紧密了。1938年9月，阿诺德被擢升为美国陆军航空兵（即美国空军的前身，其直到1947年才正式从陆军中独立出来成为空军）总司令，他意识到陆军航空兵迫切需要开展航空装备的科研和开发活动，以便在欧洲国家的空军面前不落下风。随着阿诺德逐渐变得忙碌起来，冯·卡门也变得忙碌起来了。除了在加州理工学院的工作外，1942年3月，冯·卡门还监督成立了新的“航空喷气工程公司”，这是为军方成立的负责“喷气辅助起飞”的单位。在1943年年中，美国陆军航空队（即之前的陆军航空兵，1942年改名）意识到纳粹德国正在研制大型火箭武器，即未来的V-2弹道导弹。阿诺德让冯·卡门对这种火箭武器研发成功的可能性进行评价。冯·卡门充分发挥了“自杀俱乐部”那群学生的才能，认为这样的火箭武器是可行的，并且可以从欧洲大陆打到英国。结果，美国军方立即要求冯·卡门开始进行大规模的火箭试验，并授予了他一份为期一年、价值300万美元的合同。为了执行这份合同，冯·卡门于1944年11月1日在加州理工学院成立了一个新的机构，即后来被称为“喷气推进实验室”的航天科研中心。也就是说，在不到三年的时间里，冯·卡门就成立了两个机构，这两个机构将对未来美国航空航天业的发展产生巨大的影响。阿诺德和冯·卡门都是工作狂式的人物，他们都忽视了自身的健康。1944年9月，阿诺德患上了心脏病，冯·卡门也刚刚从手术中康复。他们二人在纽约州的拉瓜迪亚机场见了面，并在阿诺德的军用指挥车上进行了交谈。阿诺德告诉冯·卡门说，战争基本上已经算是打赢了，但他现在最担心的是未来。他请这位老朋友组建一个最优秀、最务实的科学家小组，以确定喷气推进器、原子能、电子设备以及第二次世界大战期间涌现出的所有科技进步对空中力量的影响。
冯·卡门欣然受命，他选择了四人作为小组的主要成员：休·德莱顿（Hugh L. Dryden）、乔治·沙伊雷尔（GeorgeS. Schairer）、弗兰克·瓦滕多夫（Frank Wattendorf）和弗拉基米尔·祖沃里金（Vladimir Zworykin）。然后，这些人选择了一个由科技精英组成的小组，来担任所谓的“科学顾问小组”（后来改称“科学顾问委员会”）。该小组是规划在未来成立一支独立空军的关键，尽管冯·卡门后来不得不与军内的保守势力作斗争以保持该小组的影响力。
上图：冯·卡门（最左侧者）正在阿诺德工程开发中心检查风洞研究中使用的模型。1959年，冯·卡门空气动力学研究所正式成立。上面照片中其他的人从左到右分别是伯纳德·施里弗中将、休·德莱顿、约瑟夫·查理克和小特鲁普·米勒少将。
此时，因为健康状况不佳，因此阿诺德将军意识到他担任陆军航空队司令的时间已经没有多少了，于是他要求冯·卡门对纳粹德国等轴心国的航空业发展情况进行调查，并编写一份报告。像往常一样，冯·卡门这样做了。在编写报告的过程中，他还拜访了普朗特，后者仍然是哥廷根大学空气动力学和流体力学方面的权威人物，而且他对纳粹政权的支持毫不动摇。冯·卡门编写的报告分为两部分提交给了阿诺德。第一部分名为“我们的立场”，于1945年8月22日提交，该部分预言了超音速飞行、配备核弹头的洲际弹道导弹、地对空导弹、大大改良的通信设备、更加强大的电子设备以及空中加油等技术。更厉害的是报告的第二部分“迈向新视野”，这是一份由25位科学家组成的杰出团队的工作成果，他们撰写了33部专刊，共分11卷。科学家们在这些专刊中指出了可能改变空中力量的未来的基础科学研究领域。冯·卡门亲自撰写了第1卷，名为《科学：保证空中优势的关键》，并于1945年12月15日提交给阿诺德。在该卷中，他警告说未来有发生核大战的危险，并呼吁美国投入必要的研发资金，来打造国土防御系统。在某些读后令人不寒而栗的段落中，他主张对敌人进行一次强大的空袭，这种空袭可以迅速毁灭远方的目标，并可以立即建立空中优势。冯·卡门还在内容上对他撰写的第1卷进行了延伸，其中包括有关改善军事和工业界与民间科学组织、大学和实验室之间相互协助关系的建议。阿诺德将军在1946年6月卸职，卡尔·斯帕茨将军接替了他的职位。斯帕茨将军坚信应开展科研工作，但他对此事缺乏阿诺德那种发自内心的浓厚兴趣。为了弥补这一“损失”，冯·卡门开始与一些年轻的军官发展关系，如唐纳德·普特（Donald L. Putt，此人未来将领导空军研究与发展司令部，并担任科学顾问委员会的军事总监）和伯纳德·施里弗（Bernard A. Schriever，此人被称为是美国空军洲际弹道导弹和太空计划的缔造者），并呼吁像吉米·杜利特尔这样的军方资深人士支持他的事业。冯·卡门的努力最终占了上风，相关的荣誉也开始从世界各地涌入他面前。英国享有盛誉的皇家学会授予了冯·卡门会员的身份；他还获得了美国授予他的“总统嘉奖勋章”和8个荣誉博士学位。冯·卡门还收到过美国空军协会颁发给他的科学奖杯，颁奖词称：“几乎在航空学所有的分支中，冯·卡门博士都有浓厚和积极的兴趣。”
上图：1951年，在洛杉矶举行的美国空军协会全国代表大会上，冯·卡门（左）正与另一位美国空军的传奇人物亚历山大·德·塞维斯基（Alexander de Seversky）和詹姆斯·贾巴拉（James Jabara）上尉会面，后者在朝鲜战争中还是一位顶尖的王牌飞行员。
冷战开始后，冯·卡门几乎是单枪匹马地成功建立了北约航空研究与发展咨询小组，在此过程中他受到了北大西洋公约组织中许多国家在军事上的反对意见。他克服了资金、人员和任务规定方面的问题，以便为北约各国新成立的空军建立起类似于美国空军的“科学顾问委员会”那样的咨询机构。在晚年，冯·卡门继续推进自己的工作，他获得了更多的荣誉，并撰写了更多的论文。1961年，他在华盛顿特区的喜来登公园酒店庆祝了自己的80岁生日，与会者包括美国副总统林登·约翰逊，以及来自美国和其他国家的资深科学家与军方人士。他的最后一个，也许是最令人称道的一项荣誉是1963年2月18日在白宫的玫瑰花园获颁的：这一天，约翰·肯尼迪总统在那里向冯·卡门颁发了美国历史上第一枚国家科学奖章，以表彰冯·卡门在航空业和人类刚刚迈入的太空时代所做的一切。1963年5月7日，西奥多·冯·卡门去世，这位美国航空航天界的“带头大哥”传奇的一生也终于划上了句号。
【后记】本文编译自2004年1月刊的美国《空军》（AIRFORCE）杂志上的一篇文章，原作者是美国国家航空航天博物馆的前任馆长沃尔特·博伊恩（Walter J. Boyne）。译文所配图片有改动。