嫦娥號著陸點情緣之「飛彈之父」錢老恩師:美國航天奇才馮卡門

2020-12-05 西崑侖Bruce

大家好,我是西崑侖Bruce。

今天,我們來聊一聊"中國飛彈之父"錢學森院士的恩師:西奧多·馮·卡門。

如果你不是天文領域愛好者,也許對於這個名字不是太熟悉,可是和他相關的人和事,大多你應該耳熟能詳。

中國嫦娥四號在尋找著陸點的時候,當時,考慮到諸多問題:從嫦娥一號的全月圖來看,整個背面大面積的平坦月海只有兩個,最後選擇了南極--艾特肯盆地中的馮--卡門坑。這個盆地直徑超過2500公裡,面積約為490萬平方公裡,是太陽系內已知的最大的盆地,馮--卡門大家可能比較陌生,可是他有一個大家熟悉的親傳弟子:「中國飛彈之父」錢學森院士!馮--卡門被譽為是「航空航天時代的科學奇才」,所以這次選擇以他名字命名的隕石坑作為著陸地點,似乎冥冥之中自有緣分。

首先簡單介紹一下馮·卡門的相關信息:

西奧多·馮·卡門,1881年出生在匈牙利的一個猶太家庭裡,畢業於哥廷根大學,一戰時,為奧匈帝國服務四年;1933年任清華大學顧問,1936年加入美國國籍。他是20世紀最偉大的航天工程學家,開創了數學和基礎科學在航空航天和其他基礎領域的應用,被譽為"航空航天時代的科學奇才"。

馮·卡門和錢學森的故事:

1936年的一天,在美國加州理工學院任教的馮·卡門,接待了一位剛剛從麻省理工學院畢業的中國學生。根據馮·卡門回憶:"這個個子不高、儀表嚴肅的年輕人,異常準確地回答了我的所有問題。他敏捷的思維和富有智慧頓時給我留下了深刻印象。我建議他轉到加州理工學院來繼續深造。"

這個中國學生,就是錢學森。

錢學森到了學院之後,馮·卡門是他最信任和尊重的人,他平時稱馮·卡門為"尊敬的老師"。而錢學森也是馮·卡門最喜歡的學生之一,後來在他的回憶錄裡面,唯一一個用單獨章節來記錄的學生,就是錢學森。

初到加州理工不久,錢學森就和幾個志同道合的小夥伴,搞起了火箭研究。起初他們的研究得到了馮·卡門的支持,可以利用學校的實驗室設備進行試驗,但是隨後的試驗多次失敗,並給學校造成許多災難性的損失,全校師生稱他們為"自殺俱樂部",他們被趕出校園,搬到郊外乾枯河床上進行試驗,這個地方,成為了以後美國火箭的搖籃,後來發展成全球著名的"噴氣推進實驗室"。

1938年的秋天,馮·卡門參加一個軍方會議,軍方希望發明一種火箭,能夠助推重型轟炸機。馮·卡門回到學校後,立即找"自殺小組"商討火箭推進辦法,在馮·卡門的支持下,錢學森等人經過理論與實踐反覆驗證,終於在1941年8月,火箭試飛取得成功。這種火箭助飛器很快就在二戰時的美國空軍得到戰場應用。

噴氣推進實驗室剛成立時,馮·卡門是第一任主任,錢學森是研究分析組組長,馮·卡門的另一些學生、我國著名的科學家錢偉長、郭永懷等,年輕時都曾在這裡工作過。

與此同時,馮·卡門要求錢學森把兩大命題作為博士論文的研究課題,從而建立嶄新的亞音速空氣動力學和超音速空氣動力學,而其中一個命題就是後來著名的卡門--錢公式,這個公式是由馮·卡門提出命題,錢學森做出結果。

1950年錢學森計劃回國,他和夫人在港口準備乘船時,被美國官員攔住,將其關押進監獄。馮·卡門和加州理工學院院長杜布裡奇得知這一消息,立刻為錢學森籌款一萬五千美元,將錢學森保釋出來。

1955年,錢學森終於獲準離開美國,在回國前夕向老師告別時,馮·卡門翻看了他的新著《工程控制論》,然後說道:"你現在在學術上已經超過我了,我為你感到驕傲。"他送給錢學森自己的近照,並籤名留念:不久再見!

然而,這對師生,從此再也沒有見過面。

馮·卡門提出"卡門渦街"

馮·卡門之所以被稱為航空航天的科學奇才,並不無道理。要知道現在全世界航空和航天學上一些最光輝的理論、概念都是以他的名字命名。而航空史上令人矚目的裡程碑,如齊柏林飛艇、風洞,滑翔機和火箭等等,差不多20世紀的一切實際飛行和模擬飛行的成功都與他有密切的關係。

下面著重講一下他著名的領域成就——"卡門渦街"。

卡門渦街其實是流體力學中重要且普遍的現象,在自然界中很常見。不過就如同馮·卡門自己在自傳寫道的那樣,他不是第一個發現這種現象的,不過他是第一個對現象背後機理做出詳細且成功研究的人。

簡單來說,如水流過橋墩,風吹過高層樓廈、電視塔、煙囪、電線等都會形成卡門渦街。卡門渦街的圖片十分漂亮,有時可當作為藝術品來欣賞。

這些都是現實中典型的卡門渦街現象,對人們生活帶來了嚴重的威脅,不過也並非全無用處,現在工業中常用的卡門渦街流量計,就是利用了這一現象,可用於測量液體、氣體等的流量,精準度可達±1%,且可靠、耐用。

卡門渦街,用最普通的解釋就是,當風、水流等通過一些高層建築或者物體時,物體兩邊會周期性脫落出兩排漩渦,然後經過非線性作用而形成。

許多人認為,只有流體繞流圓柱體時才會產生卡門渦街,而事實上,只要發生邊界層脫離,就可能出現卡門渦街,因此,有些設施,例如水下的建築或者航空設備都做成流線型,以避免卡門渦街的破壞作用。當初的上海東方明珠塔也是經過反覆實驗和論證之後才建成的。

1963年,82歲的馮·卡門因病去世,為了紀念馮·卡門,他的祖國匈牙利在1992年8月3日發行了一枚紀念他的郵票;1992年8月31日,美國也發行了一枚馮·卡門的紀念郵票。

"科學家們主要是揭示和發現現有世界,而工程師們能夠創造從未有過的新世界。"

這是他的一句在科學界廣為流傳的名言,他對於科學的態度和品質,讓無數人願意投其門下,他的學生遍布世界,不分國籍,被稱為"卡門科班"。

雖然他已經離開我們許久,可是如今的桃李滿天下,會讓人們永遠銘記他。

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