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馮·卡門,全名西奧多·馮·卡門(1881年5月11日——1963年5月9日),匈牙利猶太人。航空和航天領域最傑出的一位元老,漫長的科學生涯頗具傳奇色彩。他精力充沛,性格開朗,既擅長辭令,又富有幽默感;他閱歷極廣,到過世界上很多國家,與世界上許多大科學家有密切交往。他是噴氣推進實驗室(JPL)的創建人、首位主任,也曾是錢學森、胡寧,郭永懷,林家翹在加州理工學院時的導師。被譽為「航空航天時代的科學奇才」。

1 馮·卡門 -傳奇故事

德國火箭科學家馮·布勞恩曾說:「馮·卡門是航空和航天領域最 傑出的一位元老,遠見卓識、敏於創造、精於組織……正是他獨具的特色。」鑒於馮·卡門在科學、技術及教育事業等方面的卓著貢獻,美國國會授予他第一枚「國家科學勳章」。1963年2月18日上午,白宮玫瑰園名人聚集,賓客如雲,授勛儀式即將舉行。當年邁的馮·卡門走下台階時,他因患有嚴重的關節炎而步履不穩,險些摔倒。年輕的總統趕緊走上前,一把將他扶住。老人抬頭報以感激的微笑,繼而輕輕推開總統伸出的手,淡淡地說:「總統先生,下坡而行者無須攙扶,惟獨舉足高攀者才求一臂之力。」 一枚最高榮譽的勳章,一句含義雙關的俏皮話,便是他那具有傳奇色彩的人生寫照:勳章標誌著他在科技事業中的偉大功勛,而俏皮話則刻畫了他那豐富多彩的個性品質及對科學事業的殷殷關切之心。 20世紀科學技術得到了迅猛發展,然而像馮·卡門那樣在航天技術中獨領風騷的人物則鳳毛麟角,幾近絕跡。因而他被後人譽為「航空航天時代的科學奇才」。

2 馮·卡門 -個性描述

馮·卡門馮·卡門
科學成就的大小往往與科學家本人的個性品質相聯繫。卡門的成功一部分得益於他那開朗幽默、獨立民主的性情。 作為一名偉人,顯貴、闊佬、軍政領袖都竭力想與他交朋友,卡門也樂意與他們交往,他是屬於上流社會的。然而,卡門並不是個勢利 小人,他會毫不遲疑地把一個花匠介紹給達官顯貴們,並且一視同仁。他曾說過,愛因斯坦誠懇而善良的靈魂正是他所畢生追求的。
卡門幽默風趣,爽朗而又健談。他樂於談論風流韻事,且會出其不意地說些稀奇古怪的片斷。他那詼諧的腔調常逗得那些嚴肅古板的人都捧腹大笑。卡門還善於把享樂和事業結合起來。他有一種特 殊能力,表面上從事某種活動,腦海里卻進行著自己的科學思考。他常會在聚會中溜走一兩個小時,去推導一個方程或擬寫一篇論文,然後再若無其事地回來,重拾他的話題。 卡門這種開朗奔放.無拘尤束的性格也反映在他的教書育人上。他認為,師生之間沒有貴賤之分,只是貢獻和學歷上的差別,而且教與學是相長的。在教學方法上,他主張採用簡單直觀的方式,略去次要細節,抓住本質,採用形象的比擬和直觀的圖解,並要根據學生的平均水平進行講解。
據說,卡門在推導公式時,常會先陷進自己故意設置的死胡同,然後再以高度技巧從困境中擺脫出來。學生們寸而屏息無聲,時而驚呼叫絕。在學生看來,他就像在耍木偶,把死東西玩兒活了。卡門就是在這種活潑緊張的氣氛中把知識傳授給了學生,此外,卡門還倡導自由討論的民主學風,鼓勵自由創造。人們圍坐在一起,下棋,聊天,更重要的是交流學術思想,潔白的桌布上往往寫滿了數學方程式,而許多創造性的思想也就在這種無拘無束的氛圍中孕育而成、卡門倡導的這種學術討論,不僅開闊了學生的思路,也激發了學生的創造熱情。卡門的教學方法在他1929年出任GALCIT(航空研究實驗室的簡稱)主任時得到了淋漓盡致的發揮,並收到了極好的效果。 有人曾把他和文藝復興時期的達·芬奇相提並論,認為達·芬奇創造了新奇的機件,而卡門則培育出大批傑出的人才。他的學生遍及五大洲,人稱之為「卡門科班」,他為教育事業作出了傑出的貢獻。馮·卡門無疑是位名副其實的科學奇才。
他在航空事業上的卓越成就是無可辯駁的。航空學和航天學上一些最光輝的理論、概念都是以他的名字命名,月球上也有一個名為馮·卡門的隕石坑。而航空史上令人矚目的里程碑,如齊柏林飛艇、風洞,滑翔機和火箭…… 可以說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。他在航天技術中乘風扶搖,大展才略,掀開了航天史上一頁頁 的新篇章。卡門事業上的成功令人崇拜,而他的思想個性和為人處世一樣為人們所敬仰。晚年的他雖有些虛榮,但他並不專橫,也不老朽。在年過七旬之後仍然頻繁地周遊列國,為世界和人類的進步而工作著。 而他培養的「卡門科班」也會讓世人永遠謹記。如今,這位一代風流式的人物已離我們遠去。然而,那藍天白雲里的飛行物體將會銘刻著那個名字——西奧多·馮·卡門。

3 馮·卡門 -生平

馮·卡門馮·卡門與錢學森

馮·卡門1881年5月11日出生在匈牙利的布達佩斯,兄弟3人中他是最小的,還有一個妹妹。 馮·卡門他們的祖父是很有名望的猶太人,父親是布達佩斯大學的教授,對馮·卡門的成長有很好的影響。1902年,馮·卡門在布達佩斯皇家理工綜合大學完成了他的研究科目,獲得碩士學位。1903—1906年,他在理工大學任職,而且是匈牙利一家發動機製造廠的顧問,在航空器結構和材料強度方面進行了一些有價值的工作。這段時間,他還到德國格丁根大學讀博士學位,師從現代流體力學開拓者之一的路德維希·普朗特教授,1908年獲得博士學位。

20世紀頭十年,飛機剛發明不久,萊特兄弟試飛成功的消息傳到歐洲,在歐洲特別是法國掀起一股「飛行熱」,湧現出一批不屈不撓的航空先驅,法爾芒就是其中的一位。1908年的一天,馮·卡門親眼目睹了法爾芒又一次打破記錄的飛行。飛行結束后,馮·卡門從人群中擠過去,與飛行家之間有過一段精彩的對話。

馮·卡門問法爾芒:「我是研究科學的。有一位偉大的科學家用他的定律證明了比空氣重的東西是絕對飛不起來的,怎麼……」。法爾芒幽默地回答:「是那個研究蘋果落地的人嗎?幸好我沒有讀過他的書,不然,今天就不會得到這次飛行的獎金了。我只是個畫家、賽車手,現在又成了飛行員。至於飛機為什麼會飛起來,不關我的事,您作為教授,應該研究它。祝您成功,再見!」在回家的路上,馮·卡門坐在疾駛的車裡久久地沉思。他對陪他一起來的一位記者說:「看來偉人的話也不一定都對。現在我終於決定我今後的一生該研究什麼了。」馮·卡門拉住記者的手伸出車窗外,立刻有一股風吹過手面,他說:「我要不惜一切努力去研究風以及在風中飛行的全部奧秘。總有一天我會向法爾芒講清楚他的飛機為什麼能上天的道理的。」正是這次參觀把馮·卡門引上了畢生從事航空航天氣動力學研究的道路。不久,他的老師普朗特邀請馮·卡門到格丁根大學去做他的助手,從事教學和研究工作。1912年,馮·卡門成為阿亨大學氣動力研究所所長。他在那裡工作了14年,在氣動力學方面有許多重要突破,還為一些企業研製飛艇、全金屬運輸機、火箭擔任顧問。
1926年,馮·卡門移居美國,指導古根海姆氣動力實驗室和加州理工大學第一個風洞的設計和建設。在任實驗室主任期間,他歸納出鈍體阻力理論,即著名的「卡門渦街」理論。這個理論大大改變了當時公認的氣動力原則。他還提出了附面層控制的理論,1935年又提出了未來的超聲速阻力的原則。1938年,馮·卡門指導美國進行第一次超聲速風洞試驗,發明了噴氣助推起飛,使美國成為第一個在飛機上使用火箭助推器的國家。在他的指導下,加州理工大學一批航空工程師,包括他心愛的中國弟子錢學森開始搞噴氣推進和液體燃料火箭,導致後來成立了噴氣推進實驗室。該實驗室是美國政府第一個從事遠程導彈、空間探索的研究單位,有很多重要的研究成果。

馮·卡門對人類實現超聲速飛行的貢獻是十分巨大的。1932年以後他發表了很多篇有關超聲速飛行的論文和研究成果,首次用小擾動線化理論計算一個三元流場中細長體的超聲速阻力,提出超聲速流中的激波阻力概念和減小相對厚度可減少激波阻力的重要觀點。1941年還發表了著名的高速飛行中機翼壓力分佈的計算公式——「卡門錢學森公式」,即馮·卡門應用錢學森1939年一篇論文的觀點做出的亞聲速氣流中空氣壓縮性對翼型壓強分佈的修正公式。1946年,馮·卡門提出跨聲速相似律,它與普朗特的亞聲速相似律、錢學森的高超聲速相似律和阿克萊的超聲速相似律合起來為可壓縮空氣動力學形成一個完整的基礎理論體系。同年,他在第10屆萊特兄弟紀念演講會上作了題為《超聲速空氣動力學的理論和應用》的重要演講,向人們宣告了超聲速時代即將到來。1947年10月14日,根據馮·卡門的構思而設計的X1火箭飛機終於首次突破了聲障,把人類帶入超聲速飛行的時代。

第二次世界大戰行將結束時,美國陸軍航空隊(美空軍前身)司令阿諾德將軍請教馮·卡門教授,要他評價美國航空技術發展的現狀,預測未來20年、30年甚至50年的發展,並就如何確保美國空軍未來的領先地位提出建議。1944年12月1日陸軍航空隊正式成立了科學顧問組,由馮·卡門任組長。它的任務是評價航空研究和發展的趨勢,為空軍準備有關科學技術事務的特別報告。
1945年初夏,馮·卡門受命,以少將軍銜率領美國空軍顧問團一行36人,趕赴德國考察納粹德國秘密研究火箭技術的情況。通過這次調查,馮·卡門摸清了德國火箭技術的水平,返回美國后,先寫出一份《我們在何處》的考察報告,對比了美、德兩國在戰爭期間的科技發展,並指出美國已有可能研製射程達9 600千米的導彈。

(圖)亞裔同事在馮卡門家中合影
亞裔同事在馮卡門家中合影

接著,馮·卡門又拿出了名為《通向新地平線》的第二份報告。該報告包括25位作者的32份分報告,主題涉及從空氣動力、飛機設計到炸藥、末端彈道等。《通向新地平線》報告的主要觀點是「科學是掌握制空權的基礎」。報告強調,要成為航空大國,沒有一勞永逸的解決辦法,只有不斷地加強研究和發展,才能確保國家安全。報告預測,新的作戰能力肯定會陸續出現,超聲速飛行是可能的,衛星和有相當精度的遠程導彈將研製出來,渦輪噴氣和渦輪螺槳發動機將取得重大進展。

1950年馮·卡門獲美國空軍協會大獎

報告中的各項建議在美國空軍都得到了很好的貫徹,如組建了航空研究和發展司令部,後來改組為空軍系統司令部,獨立負責全空軍的研究和發展工作。
馮·卡門1963年5月7日去世。送葬隊伍中有中國人、日本人,也有歐洲人、猶太人;有伊斯蘭教徒,也有基督教徒;有軍事將領,也有知名科學家;還有他生前的摯友和助手們。
在美國空軍成立50周年紀念文集中,很多人認為,在阿諾德對美國空軍未來發展所做出的所有貢獻中,最重要的是他依靠馮·卡門為美國空軍打下了科技建軍的堅實基礎。多虧有了不斷創新的技術,美國空軍才能一路乘風破浪,包括美國空軍在1991年海灣戰爭中大獲全勝都是阿諾德和馮·卡門開創的技術進步結出的碩果。

4 馮·卡門 -貢獻

特別的貢獻包括非彈性彎曲,環筒流的非定常尾跡,層流穩定性,紊流,定常和非定常流中的翼型,邊界層以及超音速空氣動力學。在其他領域他也有貢獻,包括彈性,振動,傳熱和結晶學。他的名字至少出現在下面這些概念中:

Föppl-von Kármán equations (彈性片的大偏差)

Born-von Kármán lattice model (結晶學)

Chaplygin-Kármán-Tsien approximation (位勢流)

Falkowich-Kármán equation (跨音速流)

von Kármán constant ( 壁面紊流)

Kármán line (航空動力學/宇航科學)

Kármán-Howarth equation (紊流)

Kármán-Nikuradse correlation (粘性流;coauthored by Johann Nikuradse)

Kármán-Pohlhausen parameter (邊界層)

Kármán-Treffz transformation (機翼理論)

Prandtl-von Kármán law (明槽流中的速度)

von Kármán integral equation (邊界層)

von Kármán ogive (超音速空氣動力學)

von Kármán vortex street (繞筒流)

von Kármán-Tsien compressibility correction.

5 馮·卡門 -著作

Aerodynamics - Selected Topics in the Light of their Historical Development, (Cornell University Press, Ithaca, 1954).

Collected Works, (4 Volumes), Von Karman Institute, Rhode St. Genese, 1975 (limited edition book); also Butterworth Scientific Publ, London 1956. (Many papers from vols. 1 and 2 are in German.)

From Low Speed Aerodynamics to Astronautics, (Pergamon Press, London, 1961).

(with L. Edson) The Wind and Beyond - Theodore von Kármán Pioneer in Aviation and Pathfinder in Space (Little Brown, 1967).

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