讓世界航空界致敬的中國科學家

涵薏

郭永懷 （1909-1968）

著名力學家? 應用數學家? 空氣動力學家

中國近代力學事業的奠基人

被授予“兩彈一星功勛獎章”

在空間飛行器運行中存在“三大障礙”，分別是聲障、熱障和黑障。所謂聲障是指當飛機速度接近音速時，飛機的阻力會劇增，并引起機體強烈振動、操縱失靈等，最終會造成機身破裂，機毀人亡。而破解聲障難題后，科學家又發現當飛行器的飛行速度達到2倍聲速時，其前端溫度可達100℃;當飛行器的飛行速度達到3倍聲速時，其前端溫度可達350℃，超過了鋁合金的極限溫度，使其強度大大削弱。

此外，空氣和飛行器表面摩擦產生的熱量，不僅飛行員受不了，機內許多設備無法工作，飛機結構和材料也無法承受，這就是熱障。而黑障是發生在大氣層的一種特有現象，當衛星、航天飛船、洲際導彈等空間飛行器以很高的速度再入大氣層返回地球時，在一定高度和一定時間內與地面通信聯絡會嚴重失效，甚至完全中斷。

在這三大障礙中，中國科學家郭永懷對聲障和熱障的研究都做作出了很大貢獻，尤其在攻克聲障的理論工作中取得了突破性貢獻。郭永懷長達100頁的博士論文至今還留在美國NASA，其中的研究成果依然在指導著美國的飛機制造。

小漁村走出來的天才少年

1909年4月4日，郭永懷出生在山東省榮成市海邊一個海草房院落里，這個村莊的名字叫西灘郭家村，他的祖輩都是務農出生，沒有特別出色的人才。郭永懷在家里排行老四，上面有3個哥哥。童年的生活十分艱苦，他年幼時候就去拾柴火、放牛和趕海，為家里減輕經濟負擔。但小小年紀的郭永懷展露出與眾不同的學習能力，他的叔父是老一代的秀才，當時在私塾里教書，對這個侄子特別偏愛，建議大哥讓這個侄子進入私塾好好讀書。郭永懷果然沒有辜負家人的厚望。在石島鎮的明德小學完成學業后，郭永懷被青島大學附中錄取為公費生，成為了村子里第一個中學生。畢業后，家境貧寒的郭永懷沒有停止前進的腳步，以優異的成績考入了南開大學預科理工班，依然獲得了公費生名額。

郭永懷十分珍惜南開大學的學習生活。在學校中，他謙恭好學，沉默寡言，堅韌不拔，無論多難的題目，他都不會放棄，堅持在冥思苦想中獨立完成。大學的生活十分愜意，同學們十分活躍，但是郭永懷卻是一心埋頭鉆研學問，幾乎不參與玩樂活動。

為了研究膠卷的感光知識，郭永懷向老師貸款購置了一架照相機，在不停地擺弄和拆裝中，他漸漸地弄懂了其中的原理。由此，他也立志未來要從事物理學研究。民國時代，物理系的學生除了科研工作外，在社會上很難找到“高收入”的工作，“好心”同學的“善意”提醒并沒有改變郭永懷的志向，在老師的推薦下，郭永懷進入了北大物理系深造，成為了中國現代物理學研究的先驅者之一的饒毓泰教授的研究生。饒毓泰培養的學生還有楊振寧、黃昆、張守廉、鄧稼先、李政道等蜚聲海內外的知名物理學家。

1937年抗日戰爭爆發，郭永懷隨著北大遷往昆明，在西南聯大繼續工作學習。1938年夏，中英庚子賠款基金會留學委員會舉行了第七屆留學生招生考試，在3000多名參考者中，力學專業只招一名。郭永懷與錢偉長、林家翹一起以5門課超過350分的相同分數同時被錄取。因為第二次世界大戰在歐洲爆發，海路出行遭遇困難，原本去英國學習的計劃擱淺，英國政府打算送這批留學生到英聯邦的加拿大學習。

突破“聲障困境”

1940年，郭永懷和錢偉長、林家翹一起來到了加拿大多倫多大學求學，他們都師從學校應用數學系教授、力學家辛格。辛格對三位出類拔萃的中國留學生十分器重，在那里，郭永懷完成了題為《可壓縮粘性流體在直管中的流動》的論文，獲得了碩士學位。

碩士畢業后，郭永懷并沒有停下努力的腳步，他想要攻克當時被譽為世界性難題的“聲障困境”。但是辛格教授對這個領域并不熟悉。為了實現自己的遠大抱負，1941年，郭永懷赴當時國際上著名的空氣動力學研究中心――美國加州理工學院研究可壓縮流體力學，他和錢學森都成為了當時最優秀的流體力學和空氣動力學專家馮·卡門的學生。當時加州理工學院的航空系正處于鼎盛時期，但是在精英薈萃的航空系也沒有人敢向這個難題挑戰，馮·卡門十分欽佩這個中國年輕人的挑戰精神。

在加州理工學院，郭永懷停止一切娛樂活動，進行了持續4年的艱苦的科研工作。除了與同學錢學森、錢偉長、林家翹進行學術討論外，他的生活就是獨立研究，并進行大量的計算。1945年，他終于完成了有關跨聲速流動不連續解的高難度論文，獲得了馮·卡門的高度評價。

在研究中，郭永懷發現了跨越聲速的一些現象，提出了“上臨界馬赫數”概念并得到了實驗證實，為解決跨聲速飛行問題奠定了堅實的理論基礎。郭永懷還進一步用穩定性理論解釋實際臨界馬赫數會介于上下臨界馬赫數之間的原因，這也是關于高性能氣動外型設計的先驅性工作。他還對激波和邊界層進行了深入研究。邊界層是飛機飛行的時候表面上很薄的一層，幾十米長的機翼，邊界層厚度大概只有10厘米，這層里面粘性起到了主要作用。在研究邊界層過程中，郭永懷運用了特別有效的數學方法，這個方法后來被叫做“龐加萊—萊特希爾—郭永懷”方法，簡稱PLK方法，用處非常廣，解決的都是各種實際問題。

郭永懷在空氣動力學研究領域取得的非凡成績引起了美國各大學的關注。1946年，美國康奈爾大學邀請郭永懷前去任教，他在康奈爾大學航空研究生院工作了整整10年，專注于粘性流體力學的研究。

當時的郭永懷已經是美國知名科學家，他是美國航空咨詢委員會（即NACA， NASA的前身）47名委員中的3位華裔科學家之一，其他兩位就我們熟悉的錢學森和林家翹。

雖然專心致志從事科研工作，但郭永懷也時刻關心著祖國的發展。新中國成立前夕，在康奈爾大學中成立了“中國科學工作者協會美國分會”，郭永懷積極參與分會組織的各種活動，和其他科學家們一起熱烈討論祖國的命運和未來。他和夫人李佩渴望著回國的那一天，他們要利用自己所學報效祖國，建設新中國。

回國后做出巨大貢獻

郭永懷策劃歸國時，好友錢學森也在做相同的準備。今天我們都知道，錢學森的回國之路也遇到了巨大阻礙，美國政府不允許他回國，還粗暴地限制了他的人身自由。在風景秀麗的帕薩迪納，郭永懷和錢學森再次相聚，他們在異國他鄉有機會就會在一起聊祖國，聊科學。但是此次的情況不同，聽著好友的各種傾訴，郭永懷的眉頭緊鎖，他不斷安慰著好友，也對自己的歸國之路充滿了擔憂。

1955年，在周恩來總理的干預下，錢學森終于回到了祖國，郭永懷欣喜不已，歸心似箭，1956年，郭永懷跟隨好友的步伐，放棄了美國優渥的科研和生活條件，帶著妻女搭乘“克里弗蘭總統號”郵輪經由日本，回到了闊別16年的祖國。他們看到祖國的第一眼，是灰色的海岸線上一些零散著的灰色的石頭房子，那里是日后的深圳。

1957年6月7日，郭永懷在《光明日報》上發表了題為“我為什么回到祖國——寫給還留在美國的同學和朋友們”的署名文章，表達了自己的心聲。他在這篇文章中這樣寫道：“這幾年來，我國在共產黨領導下所獲得的輝煌成就，連我們的敵人，也不能不承認。在這樣一個千載難逢的時代，我自認為，我作為一個中國人，有責任回到祖國，和人民一道，共同建設我們美麗的山河。”

歸國后，郭永懷的第一項工作就是與錢學森一起領導剛成立的中國力學研究所。他和同事們一起制定了力學所未來“上天、入地和下海”的科研方向。他和錢學森的合作親密無間，這個科學家二人組當時被人們風趣地冠之以“馮卡門Brothers（馮卡門兄弟）”的稱號。

20世紀50年代，全球開始進入空間時代，發達國家紛紛進行火箭和人造衛星的研究，飛行器的速度需要接近或者高于第一宇宙速度，這樣才能擺脫地球引力，順利進入太空。高超聲速空氣動力學是其中的重要研究內容，在帶領力學所科研人員攻關的過程中，郭永懷把目光又放到了熱障領域，當飛行器的速度到達2倍聲速時，飛行器周邊的空氣會強烈壓縮和摩擦，形成高達幾千攝氏度的高溫，如果用普通的材料，飛行器會快速坍塌和溶解。郭永懷提出，要解決這個問題，必須要在飛行器表面開展防蝕研究。在研究理論的同時，力學所開展了各種材料的防燒蝕研究，進行了幾百次的大型試驗，這些研究為中國科研人員之后突破熱障難題奠定了堅實的基礎。

在之后的科研生涯中，郭永懷根據國家的需求又在爆炸物理學、電磁流體力學方面作出了突出的科研貢獻。

1959年6月，蘇聯單方面突然致函中共中央，拒絕向中國提供原子彈的數學模型和技術資料，并撤走所有技術和專家。1960年3月的一天，后來被稱之為中國原子彈之父的錢三強突然上門來找郭永懷，兩人走進書房，門一關，足足談了三個小時。

正是這一次拜訪，使得郭永懷的名字和中國原子彈聯系到了一起。105名專家學者組成了一支特殊的隊伍，郭永懷臨危受命負責原子彈的理論探索和研制工作。他和實驗物理學家王淦昌落、段理論物理學家彭桓武一起，組成了中國核武器研究最初的三大支柱。

意外身亡令人扼腕嘆息

1963年，郭永懷和同事們趕赴位于青海的核武器研制基地。基地位于海拔3800多米的高原地區，條件異常艱苦，那里氣候變化無常，冬季最低氣溫零下40度，物資又十分匱乏。郭永懷和同事們沒有被困難打倒，全力開展核武器的研究工作。爆轟物理試驗，是突破原子彈技術的重要一環，為了取得滿意的爆炸模型，郭永懷帶領隊員反復試驗，甚至自己跑到帳篷去攪拌炸藥。在多次試驗后，郭永懷提出了兩路并進、最后擇優的辦法，為第一顆原子彈爆炸確定了最佳方案，這種方案后來被應用于中國整個第一代武器研制過程。

1964年10月16日，中國第一顆原子彈裝置爆炸試驗取得圓滿成功，1967年6月17日，中國第一顆氫彈爆炸試驗成功。當蘑菇云升起，全體工作人員一片沸騰，郭永懷也是激動異常。

1968年12月4日，在青海基地整整呆了兩個多月的郭永懷，在試驗中發現了一個重要線索，他要趕回北京。他匆匆從青海基地趕到蘭州，就在蘭州換乘飛機的間隙里，他還認真地聽取了課題組人員的情況匯報。

12月5日凌晨，飛機在首都機場徐徐降落，在離地面400多米的時候，突然，飛機失去了平衡，偏離降落的跑道，歪歪斜斜地向1公里以外的玉米地里一頭扎了下去——只聽“轟”的一聲，飛機前艙碎裂，緊接著火焰沖天躥起……迎接郭永懷的人們從驚異中清醒過來的時候，急忙向出事現場飛奔過去，看到機艙內有兩具燒焦的尸體緊緊抱在一起，他們是郭永懷和警衛員牟方東。當把他們分開后，兩人緊貼的胸部掉出一個完好無損的裝著絕密文件的公文包，絕密文件是從青海試驗基地帶回北京的熱核導彈試驗數據。在人生的最后一刻，他們想到的依然是保護絕密的科研資料。

郭永懷飛機失事的消息第一時間傳到國務院，周恩來總理失聲痛哭，良久不語，郭永懷犧牲的第22天，中國第一顆熱核導彈試驗獲得了成功，為了這次試驗，郭永懷和同事們同樣付出了艱辛的努力。

在紀念郭永懷殉國10周年的大會上，時任中科院秘書長的郁文高度評價了郭永懷的一生，“他是一個老老實實的科學家，老老實實的共產黨員，他從來就是說真話，不說假話，從來不會趨炎附勢。一個人能夠做到先公后私已經很不容易，公而忘私更是難能可貴，而郭永懷同志真正做到了大公無私。”

1988年12月5日，當郭永懷犧牲20周年的時候，他生前的老師、同窗好友、同事以及學生聚集力學研究所舉行報告會，周培源、錢學森、錢三強、張愛萍、王淦昌、彭桓武、朱光亞等到會并撰寫紀念文章。聶榮臻元帥、宋任窮、張勁夫等題詞紀念這位英雄科學家。

1991年開始，中科院力學所設立了以郭永懷名字冠名的獎學金，作為對力學所品學兼優的研究生的最高獎勵。

1999年郭永懷被授予“兩彈一星功勛獎章”，是該群體中唯一一位獲得“烈士”稱號的科學家。

2018年7月，國際小行星中心發布公告，編號為212796號的小行星被永久命名為“郭永懷星”。（本文圖片由作者提供）