钱学森在美国的20年(连载二)

面对当时两大航空科技难题,钱学森深知,攻克难题不仅是为美国航空工业的发展,更是为日后发展祖国的空军力量,抗击一切侵略者。

不知有多少个不眠之夜,钱学森在知识宝库里苦苦寻觅,有时忽然从半梦半醒中捕捉到一些灵感,然后反复大胆设想、设计与计算、实验。历经三载,钱学森逐步攻破一个个难关,形成自己独到的见解,在高亚声速流场的精确计算以及超声速空气动力学以至火箭推进方面,都作出了原创性的贡献。

1939年他出色地完成《高速气体动力学问题的研究》等4篇博士论文,获得航空和数学的双博士学位。这里仅就钱学森博士论文中部分内容的原创性贡献,做简要介绍:

(1)博士论文的第一部分是关于飞机在高空中高速飞行时,它所受到的阻力和表面的热效应问题。当时普遍认为飞机在超声速飞行时,其表面与空气发生的摩擦阻力并不重要,可以忽略不计,且飞机表面不会发热。钱学森经过对飞机结构整体的物理思考,加之运用极其复杂的数学计算和逐次迭代的近似解法,得到飞机在高速飞行时,将受到空气摩擦阻力和热效应的重要影响的精确数据和结论。这在世界航空工业比较落后的时代,是一个全新理念。它从航空理论上预见,实现高速飞行的飞机,将会遇到“热障”,其表面气流温度很高,能使金属外层强度降低,甚至熔化;在设计高速飞机时,必须对飞机表面采取有效的防热或冷却的措施,才能持续高速飞行。

(2)博士论文的第三部分是寻求一种计算高速飞行着的飞机机翼表面压力分布情况的科学方法。当时,航空界已有的一些计算方法,只能适用于计算飞机机翼较薄、飞行速度较慢(例如小于0.5倍声速)的情况。为了实现大型超声速飞机精准合理的设计与制造,冯・卡门凭着对物理问题敏锐的洞察力,建议改变传统计算方法,采用来流状态点处的切线近似计算法。钱学森在导师的启发下,专心致志地每天工作十几个小时,反复对比、思考,加之一系列细心的数学推导、计算(当时没有电子计算机)与实验,果然得到比过去更为精确的计算结果及其数量关系。这就是著名的“卡门-钱公式”,它是空气动力学中的重大成果。“热障”理论和“卡门-钱公式”,在第二次世界大战期间以及二战之后很长一段时间,都被世界各国广泛应用于超声速飞机设计与制造,直到电子计算机广泛应用之前。

钱学森很快成为冯・卡门的亲密合作者和得力助手,成为当时航空界和加州理工学院里最惹人注目的人物,并被加州理工学院古根海姆航空实验室聘为研究人员。此后10多年,钱学森为了飞机的高速飞行,突破“声障”和“热障”不断探索,作出了全方位的重大贡献。

罗斯福重科技广开科研路

1936年-1939年,正当钱学森攻克空气动力学中的世界难题,为航空工程设计提出高速飞行的新理论、新方法、新公式时,德国希特勒建立独裁政权,扩充军备,特别重视发展空军。

1937年7月7日,日本帝国主义在中国悍然挑起“芦沟桥事变”,发动全面侵华战争。同年12月13日,日本帝国主义制造震惊世界的“南京大屠杀”。钱学森闻讯后彻夜难眠,义愤填膺,决心用各种方式为国效力,报仇雪恨!

1940年初,德军借助其远程轰炸机、战斗机和机械化部队的优势,席卷欧洲大陆,然后又大举进攻英国,1800多架飞机布满英国上空,英国危在旦夕,首相丘吉尔向美国总统罗斯福紧急求援。罗斯福通过国会一方面支援英国,一方面拨款几十亿美元,希望尽快制造出性能先进的飞机、军舰、坦克、大炮，准备迎战。

罗斯福对于发展先进武器、炸药的科学技术尤为关注，经常与一些科学家讨论、研究。1939年8月2日，科学家爱因斯坦致信罗斯福，在信中，他预料，在不久的将来，铀元素会变成一种重要的新能源。它也可以用来制造出极有威力的新型炸弹。而德国在这方面有可能采取先发制人的行动……这封信引起罗斯福重视，立即成立铀问题咨询委员会，并集结奥本海默等一大批由科学家、军事家和科学技术人员组成的庞大队伍，开始研制原子弹的曼哈顿计划。

钱学森最近回忆说：“二战爆发后不久，罗斯福总统特别注意发展科学技术，多次把科学家们找来共同讨论在美国如何发展科学技术的问题，当时就找到冯・卡门等科学家，他们讨论来，讨论去，结果就做出要尽快搞火箭发射、搞原子弹和氢弹这个英明的决定。因为一般的火炮打原子弹、氢弹，打不远，不行。有了火箭发射，你想打到哪儿，哪儿就完了，毁灭性的。”当时，钱学森暗下决心：我虽与祖国远隔重洋，不能上战场与日军搏斗，但可以利用在美国的科学研究和实验条件，去抢占世界科技高峰，借以提高军事力量，打击帝国主义德、日、意。