冯•卡门与清华大学早期的航空工程学科

冯·卡门与清华大学早期的航空工程学科

 

朱克勤

(清华大学  航天航空学院  北京 100084)

摘要:今年是力学大师冯·卡门 (1881-1963) 逝世五十周年,本文结合他于二十世纪上半叶对清华大学的两次访问,回顾冯·卡门对我国早期航空学科创建和人才培养的支持和贡献。

 

关键词:冯·卡门;华敦德;钱学森

 

清华大学始建于1911年,初名“清华学堂”,1912年更名为“清华学校”,1925年设立大学部。1928年正式更名“国立清华大学”后,罗家伦为首任清华大学校长。为了开展国际学术交流,当时清华大学曾邀请泰戈尔(Rabindmnath Tagore)、维纳(N.Wiener)、哈达玛(J.Hadard)、郎之万(Paul Langevin)、冯·卡门(Theodore von Kármán)等学术大师来校讲学。他们的来访对于清华的学科建设和人才培养起到了积极推动作用,并一直被传为佳话。 比如,1935年美国著名数学家、控制论的创始人维纳访问清华大学,他大力推荐并促成华罗庚赴英国剑桥大学为期两年的进修访问,从而与熊庆来教授一起为只有初中文凭的华罗庚最终成为世界著名数学家创造了条件。

1929年,受清华大学理学院院长叶企孙教授的邀请,冯·卡门首次访问清华大学。当时中国的近邻日本已经开始发展航空工业,他们在河西机械公司建造的第一台风洞于1928年竣工,并成立了一家飞机制造公司。在随后的第二次世界大战中,河西公司成为日本水上飞机和战斗机的主要生产部门。冯·卡门在清华大学访问的过程中,向校方阐述了发展航空工业和航空学科的重要性,建议在清华大学尽快创办航空工程专业和设立航空讲座,培养这方面的人才,以便与邻国日本保持军事上的平衡。由于历史条件和种种原因,他的建议没有得到时任校长罗家伦的重视。

1931年九一八事变后,梅贻琦出任清华大学校长。当时侵华日军凭空中优势狂轰滥炸,给中国军民造成极大伤亡。1932年一二八事变,倭寇的飞机更是驰骋于上海空中,如入无人之境,闸北犹在无空防的情形下,变成了瓦砾之场,引起全国震惊。从舆论界到学术界,从社会到政府,“航空救国”成为当时震撼全国的呼声。同年,清华大学组建工学院,梅贻琦亲自兼任工学院院长。在机械工程系内设 “动力工程” 和 “航空工程” 两个专业组,成为中国大学创办航空学科的发源地。1933年顾毓绣及庄前鼎等教授在清华开始筹建航空馆与飞机库房、自制实验风洞、购买实习飞机。[1]

为解决清华初建航空学科阶段人才缺乏的问题,1934年清华校长梅贻琦曾函聘冯·卡门教授来清华任教,协助筹备设计空气动力学实验设备。此时冯·卡门已赴美国在加州理工学院任古根海姆航空实验室主任,无法来清华应聘。1935年8月17日他致函梅贻琦校长,推荐他的得力助手华敦德(Frank L. Wattendorf  有译为瓦登道夫)博士来清华任教。他在信中指出:华敦德博士毕业于麻省理工学院航空系。1926下半年在哥廷根与普朗特一起研究湍流,1927年到亚琛工学院研究空气动力学。1933年获加州理工学院博士学位,目前在加州理工学院古根海姆航空实验室工作。华敦德博士绝对是风洞与飞行实验方面的第一流的研究人员,也是一名优秀教师。他具有调整自己适应任何外国环境的出色能力。他相信华敦德博士一定能在清华做好工作[2,3]。

冯·卡门在德国亚琛工学院空气动力学研究所担任所长时,华敦德是他研究室中第一个来自美国的研究生,后来成为他最亲密的同事和得力助手。对此,冯·卡门在他的自传中写道:“1927年,华敦德和他的母亲一起来到亚琛。从那时候起,我一直把他当成我的家庭成员。我们合作研究了许多课题,他始终是我最亲密的同事。现在他是北约航空顾问团主席。[3]” 对于冯·卡门推荐华敦德来清华工作一事,梅贻琦校长于1935年9月26日、11月23日两次复函感谢冯·卡门的支持和推荐,表明清华发展航空工程学科并迫切需要人才的心情,并欢迎华敦德博士来清华任教。[2]

经冯·卡门的大力推荐,华敦德博士于1936年2月12日抵达清华大学,任空气动力学教授。到达当天就开始工作,他仔细观察了清华建成的5英尺风洞,当即表示十分满意。2月20日,华敦德致函冯·卡门,对于在清华一周来的工作环境表示满意,信中指出“没想到,中国能建造如此精确的风洞,已经达到国际水平。” 华敦德博士此封写自北平国立清华大学的信件如今仍展示在加州理工学院冯·卡门纪念室的显著位置,已经成为力学大师冯·卡门当年大力支持清华大学发展航空工程学科的最好见证。

 

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图1  清华大学航空研究所,前排左三起顾毓琇、庄前鼎、华敦德(1936)

在抗日战争的大背景下,1936年国立清华大学航空研究所正式成立(见图1),工学院院长顾毓琇教授任所长,机械系主任庄前鼎教授任副所长,华敦德博士任空气动力学教授。在积极开展航空工程教学和研究的同时,为了进行准确模型的空气动力学试验,华敦德博士建议由清华大学在南昌建造一座远东最大的大型风洞,试验段口径为15英尺。经过反复论证,最终政府同意了他的建议和方案。1936年6月,华敦德、冯桂连、殷文友3位教授担任主设计,用了不到一个月的时间,便完成了此大型风洞的初步设计,其中风洞的空气动力学设计由华敦德博士完成。

1937年,冯·卡门第二次访问清华大学,当时正值七七事变的前夕。冯·卡门从莫斯科横穿西伯利亚乘火车进入中国,华敦德博士到山海关车站迎接,并全程陪同他的中国之行。7月6日,在北平饭店,冯·卡门与有关政府官员和清华大学领导开了一个秘密会议,这时他才发现此次访华不但是学术交流,而与中国空军的发展战略有关。会后冯·卡门到清华参观,并受聘为清华大学名誉教授。在南京与中国空军司令周至柔将军会面后, 7月9日,冯·卡门赴南昌参观空军基地和清华大学15英尺风洞的建设,当时该风洞主体的施工基本完成,已进入装配和调整阶段。关于南昌风洞,多年后冯·卡门在回忆录中写道:“1937年夏末我到达南昌时,风洞已快竣工。主体混凝土外壳已经浇注好,发动机和螺旋桨也已经定了货,平衡设备正在制造。这座风洞比加州理工学院的那一台要大50%,是当时世界上最大的风洞之一。” 7月14日,冯·卡门由华敦德、梅贻琦、顾毓琇等陪同前往庐山面见蒋介石,冯·卡门就如何发展中国航空工业和航空学科,提出了看法和建议。 对于冯·卡门的这次中国之行,在他的回忆录中以“中国航空发展初期”为题,用整整一章的篇幅进行详细的描述[3]

华敦德博士对清华的贡献不只限于航空学科的建设。1937年清华沦陷,他受叶企孙、吴有训教授密托,不畏艰险,利用美国公民的身份,避开日本军队的盘查,将一大笔校款及镭等贵重物品,从北京带到南京,亲手转交给了梅贻琦校长。不幸的是,1937年底,华敦德博士由于突发半身不遂,不得不提前结束在清华大学聘期。1938年,在身体康复的过程中,华敦德博士曾代表清华大学出席第14届国际应用力学大会,提交关于风洞设计理论的论文,被誉为“运用分析方法设计风洞之鼻祖”。 1939年华敦德博士主持设计了美国莱特空军基地当时世界上功率最大的4万马力风洞。该风洞后来成为美国空军研制B-36轰炸机和高速航空问题的关键设备,在第二次世界大战中发挥了重要作用。1944年,经冯·卡门提名,华敦德与钱学森一起,人选美国空军科学顾问团。 1947年,华敦德任美国远东科学顾问团主席时,曾到昆明与梅贻琦会面,建议中国到日本搜运航空技术及其他科学仪器与图书。冯·卡门1963年去世, 1964年华敦德撰文纪念他的导师和挚友[4]。1968年,华敦德获美国空军特别贡献勋章;1986年去世,享年80岁。

冯·卡门在清华大学早期创建航空工程学科的过程中,他的贡献除举荐他最得力的助手华敦德博士来清华工作之外,另一个功绩当属精心培养赴美留学的中国青年学子,其中最著名的当属钱学森。清华大学1934年起在留美公费出国留学生中设立航空工程名额,当年毕业于上海交通大学的钱学森以优异的成绩被录取。1935年,钱学森赴美国麻省理工学院攻读航空工程专业,1936年获得硕士学位后,转到加州理工学院,在冯卡门的指导下攻读博士学位。冯·卡门对于中国非常友好,新中国成立后,中美关系处于低潮,冯·卡门在自传中曾写道:“我坚信,中国已经摆脱了许多技术发展的束缚,一旦解决了面前的内政和外交问题,它的巨大科学潜力将会充分发挥出来”。对于钱学森更是赞许有加,在他的长篇自传中,曾以“中国的钱学森博士”为题,以整整一章的篇幅详细回顾了他与钱学森的友谊、钱学森的出色工作、以及在钱学森回国前受到美国政府不公正待遇的不平。

 

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图2  中国学生在冯·卡门家中做客,左右下蹲者分别为钱学森和谈家桢

冯·卡门在文章的开头写道[3]:“我的朋友钱学森是1945年我向美国空军科学顾问组推荐的专家之一。钱是加州理工学院火箭小组的元老,二次世界大战期间为美国的火箭研究作出过重大贡献。他36岁已经是一位公认的天才,他的研究大大地推动了高速空气动力学和喷气推进技术的发展”。周末,冯·卡门的家也常常是当时中国留学生的聚集地(见图2),对此他在自传中写道:“钱喜欢到我家作客。由于他饶有风趣的见解和诚挚直率的态度,我妹妹总是很欢迎他的到来。他经常会提出种种新奇的设想”。

这里补充一件冯·卡门自传中没有提到的关于钱学森留学美国的细节。按照清华公费留美生的章程,钱学森应该于1938年回国。考虑到当时钱学森的研究正处于进一步突破的关键时刻,冯·卡门1938年6月8日致函清华梅贻琦校长,在详细介绍了钱学森的研究进展和成果之后,希望清华能继续支持钱学森在加州理工的学习和研究。他在信中坚信,奖学金的延长可使得钱学森在今后的一两年内成为可压缩流、高速和弹道问题方面的专家,这对于中国的将来是非常重要的。此信现仍完好地存放在清华的档案馆中[5]。由于冯·卡门的建议,清华大学同意延长钱学森在美学习的年限和奖学金。事实证明,冯·卡门当时的信函及其判断不但完全正确,对于中国的将来也的确及其重要。

冯·卡门的指导和加州理工的经历,对于钱学森在高速空气动力学和火箭技术方面作出一系列极其优秀的研究成果创造了条件。钱学森1955年回国后,为中国的科学技术事业做出了巨大贡献。中国国务院、中央军委授予“国家杰出贡献科学家”荣誉称号,获中共中央、国务院、中央军委颁发的“两弹一星”功勋奖章。

在纪念冯·卡门逝世五十周年之际,回顾他于二十世纪上半叶对清华大学的两次访问和书信,深深感到这位力学大师对我国早期航空学科创建和人才培养的关心和贡献。无论是推荐自己最得力的助手华国际著名航空工程专家敦德博士来到清华任教,还是在培养以钱学森为代表的中国公费留学生方面,他实实在在的支持,对于上世纪三十年代前后处于起步阶段的中国航空工程学科的发展起到了重要的作用。在如今改革开放的今天,国际交流日益频繁,思考冯·卡门对我国早期航空学科发展和人才培养支持的非常有效的模式,可以给我们以有益的一点启示。

 

 

参考文献

[1] 庄前鼎,国立清华大学航空研究所工作报告(1937年至1945年),清华大学档案馆。

[2] 金富军,华敦德与清华大学航空研究,《中国科技史杂志》2006年, 第27卷第3期: 229—236

[3] 冯·卡门-航空与航天时代的科学奇才,冯·卡门,李·爱特生著,曹开成译,上海科学技术出版社,上海 1991

[4] F. L. Wattendorf & F. J. Malina, “Theodore von Kármán, 1881-1963,” Astronautica Acta 10 (1964), 81.

[5] 魏宏森,钱学森与清华大学之情缘,清华大学学报(自然科学版) 2008 年,第48 卷第11期

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