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第39章 航空动力学大师卡门

提起“卡门涡街”,人们就会想到风吹高压输电线发出的嗡嗡响声,潜水艇潜望镜可能产生的激烈振动,人在划船时船尾出现的两排交叉的涡旋等等,因为这些现象都是“卡门涡街”带来的结果。而这个“卡门涡街”就是由航空动力学大师西奥多·冯·卡门提出的。

1881年5月11日,卡门出生在匈牙利。父亲是教育学教授,所以他从小就受到良好的家庭教育。在儿童时代,卡门就表现出非凡的数学天赋,中学毕业后,他进入了当时匈牙利唯一的工科大学约瑟夫皇家工艺大学。在这里,他用数学方法解决了一种引擎的高速运动转时,阀门开关和引擎的转速之间产生共振的机械现象,初次看到了用数学方法解决工程问题的优势,为以后跨入动力学研究领域奠定了基础。

1907年,卡门来到当时世界着名的哥廷根大学深造,从师于“空气动力学之父”路德维希·普郎特。在普郎特的指导下,卡门利用哥廷根大学良好的实验条件,对一系列机械工程进行了研究,这为他日后从事航空动力学研究,提供了重要的技术准备。1908年,卡门获得了博士学位,前往巴黎学习考察。不久,他回到哥廷根大学给普朗特当助手,并参加了哥廷根第一个风洞的筹建和“齐柏林号”飞艇的设计。

20世纪初,莱特兄弟的飞机试飞成功,轰动了全世界,各国都成立了航空方面的办事机构。为了取得有关飞机在空气中飞行的更多资料和数据,科学家们发明了“风洞实验”方法。

风洞其实就是一个大动力的送风机,它是以气流流动,飞行物模型静止来模拟飞行物飞行的实际情况,来获得各种飞行情况的珍贵数据。风洞的成功运用,推动了飞行物的研制,它使从事飞行物研究的科学工作者有可能用实验来检查理论计算的正确性。因此,“风洞实验”方法成为现代制造各种飞行器包括火箭、卫星等不可缺少的实验装置。哥廷根风洞是为了“齐柏林号”飞艇设计服务的,卡门协助普郎特完成了德国第一批空气动力学实验。

1911年到1912年间,普郎特为研究边界层分离现象,让人设计了一个水槽,来观察流体经过圆柱体后面的分离现象。结果发现,流水在圆柱后形成两排交叉的涡旋。普郎特对这一现象并不介意,他认为这是因为圆柱不够圆或水槽做得不对称,而卡门却没有放过这一现象,他通过周密的数学分析,从理论上证明了只有交叉排列的涡旋,才是稳定的。由于这交叉排列的涡旋好像是大街两旁的两排街灯,于是人们把这一现象叫作“卡门涡街”。现在,“卡门涡街”所产生的效应是建筑设计中必须考虑到的问题,因为一切建筑物都处于空气这一流体中,风速过快时都会产生“卡门涡街”,而有可能发生危险。1940年,美国西雅图附近的一座横跨科马海峡的大桥倾刻崩塌,就是一个很好的教训。

由于卡门出身犹太血统,自第一次世界大战后,为摆脱欧洲排犹势力的干扰,他毅然来到美国,在加州理工学院任航空研究生院实验室主任。经过10多年的努力,到1942年时,卡门领导的加州理工学院航空实验室,已经成为国际流体力学研究中心。他指导培养的两代科学家和工程师,为航空技术的发展奠定了扎实的科学基础。

第二次世界大战期间,由于卡门的远见卓识,改善了美国空军的落后局面,打得德、日法西斯魂飞魄散,号称“空中铁军”。二战后,他又全身心地致力发展国际航空事业,他参与了战后美国航空发展规划的制订,倡导和呼吁建立航空工业的一系列研究机构。他还主持了两次国际航空会议,创建了国际宇航科学协会,成立了国际宇航科学院。他的足迹遍布全世界,为推动国际宇航事业的发展作出了重要贡献。

由于卡门在航空、航天领域中立下的不朽的功绩,1963年2月18日,由美国总统代表国家亲自将“国家科学勋章”颁发给卡门,这是美国政府颁发的第一枚科学勋章。两个半月后,由于心脏衰竭,卡门在82岁寿辰前五天,离开了人世,结束了他传奇的一生。

卡门逝世后,中国人民一直怀念他,因为中国航空事业的开端、发展也得益于他的关心和指教。1929年,他到过中国,建议在清华大学开设航空课程。抗战爆发后,清华大学创办了航空系,卡门派他的养子、年轻的航空技术专家沃登道夫来华担任该系的科学顾问。他还培养出一批出色的中国专家。众所周知的钱学森、郭永怀、钱伟长等都是他的高材生,新中国成立后,他们都成为举足轻重的科学家和中国的航空航天泰斗。

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