概论课与水下高速航行

— 纪念钱学森先生百年诞辰

 

毛鸿羽

航天科工集团三院三部)

点击率 

 

    上世纪五十年代中期,全民积极响应“向科学进军”的号召,加上进军”的号召,加上1957年苏联第一颗人造地球卫星上天,因此全国各行、各业都在放“卫星”。当时“火箭” 作为一种尖端科学技术,是人们心目中最向往、最时髦的。在工程科学界,第一、第二宇宙速度等已是常识,甚至连中学生都知道火箭多级分离的齐奥尔柯夫斯基公式。就像现在好多大学都成立了“航空、航天学院”一样,1958年全国大跃进时,大部分的理工科大学都成立了以火箭、卫星为背景的“工程力学系”。由于中国科大力学系的系主任是钱学森先生,所以1959年我们上海中学有6名同学慕名考进了“力学和力学工程系” (另有25名考入其它系)

    钱先生为我们制订了教学大纲,请来了最好的老师,使我们在成长的关键时期及时地沐浴到了大师教育的阳光和雨露。在大三的上学期,又亲自为我们上了《火箭技术概论》课(我们简称为“概论课”)。至今正好是50年了,但上课情景却依然历历在目。

     听钱先生的课是最高兴的事了,我们就像过节一样。校领导也极为重视,派了当时最好的校车(每个座位上都有干净的布套,从玉泉路校本部送到中关村自动化所四层的阶梯教室)来回接送。为了听好课,我早上要加餐一两,自来水钢笔在“民生”牌兰黑墨水瓶里吸了又吸,带上平时舍不得用的道林纸笔记本,要将钱先生讲的每句话都记下来,理解、复习、做作业。

     在第一章绪论课里,钱先生就讲到火箭最早是由中国人发明的,他还介绍了地球、太阳系的行星及卫星世界。这引起了我们无限的兴趣,有的同学课后不仅能用中、英、俄文查阅星际航行所需的各种环境参数,並主动要求做作业。钱先生高兴地、微笑着说:不用着急、习题会有的。第二、三章則是讲火箭发动机的推力,虽然当时还未上专业课,但是拉阀尔喷管、等熵、击波、比冲等这些概念我们全接受了,並能推导出不同背压下发动机推力公式等。我们在两个单元、六个学时里所学到的知识,相当于现在航空院校火箭发动机专业一学期的、厚厚一本讲义的内容。以后的章节则是更精彩了:结构、制导、通讯、同步卫星、再入大气层、烧蚀、等离子体、原子发动机、光帆、星际航行站、宇航医学等等。每堂课的内容都是全新的,从最基础的物理概念、工程设计准则到最新的技术发展,吸引着我们。

     钱先生为我们打开了一扇扇不同专业、领域的科学大门的同时,为了防止我们好高骛远,绝不放过我们学习中的错误与缺点,对此会狠狠地批评。一次考试,有位同学将火箭发动机固体火药的分子量写成从0100多,钱先生很生气地说:哪有分子量为零的物质?在黑板上写下了“下笔千钧”四个字后,然后接着说:如果到工作岗位上也这样,那不光是流汗、而是要流血了。针对有的同学做作业图“省事”将物理量的单位随便地用英文字母“mskg”等表示的情况,一次课上,钱先生很严肃地将公式运算后得到的每个物理量的单位,都用汉字重筆写满了黑板,果然临下课时说:厘米--秒制里“力”的单位是达因,米-千克-秒制里“力”的单位是牛顿,国家已作了规定,大家都应该遵守。同学们接受了批评,惭愧、佩服又十分感叹,怎么这么大的科学家居然连我们中学里学的东西都一清二楚,并认真给予纠错。钱先生严厉的训斥,培养了同学们对错误的仇恨,并延续到自己随后的技术生涯中:对自己及一起共事的年轻同志,严格要求,从不姑息,不敢懈怠,自觉改正错误。因为钱先生讲过:“犯了错误赶快承认,越早越好。”

     听钱先生讲课是最大的享受,他一口标准的京腔高音,不用麦克风,虽然阶梯教室很大,听课人除了5859级一、二、三专业的同学,还有来自五院的尉级军官及科学院的一些老师。有时过道上还要加座(甚至席地而坐),但每人都能听到。南腔北调以及我们来自上海的“洋、涇、浜”的同学们,从未听到过这么纯正的国语讲课,真是越听越爱听。钱先生讲课有条不紊、十分从容,但实际上数量大、速度快,钱先生的板书最快(在我听课至今遇到的所有老师中),字迹清晰、从不连筆。四块黑板有计划轮流地写满,讲课过程中从不擦掉,便于同学们记筆记,不感到困难。总之是听钱先生的课,听得好、记得下来。

   钱先生除了是系主任外,还担负着其他重要的工作,因此时间对他是最宝贵的。但是他鼓励学生的提问、亲自细致地答复;甚至参加学生的课外活动。1961年底,他参加了59级同学的迎新年晚会,坐在中关村物理所食堂的普通木椅上,与其他系领导一起观看同学们的演出并听了我们表演的男声小合唱。由于大家过于激动、兴奋,唱歌高了八度。尽管现在看来这对他来讲,这绝对不是“高雅、和谐”的音乐欣尝,但钱先生依然兴致勃勃听学生们歌唱。众所周知:钱先生的爱人蒋英先生是德国留学专唱古典音乐的歌唱家、中央音乐学院的教授。蒋先生的工作无疑是象牙塔中最尖顶的那部分,但是她照样与学生一起参加秋末冬初去公社的菜地,用稻草绳捆绑大白菜的工作。他们俩分别是研究尖端科学和艺术的,却肯花时间十分普通、平常地与大家在一起,给了学生无微不至的关爱与高尚的品格教育。   

     钱先生衣著简朴,天气寒冷时从外面走进教室,戴一顶极普通的棉帽子,穿了卡其布的中山装。显然,他的生活并不富裕。他的親朋好友、学生、社交多,花钱肯定是很多的,但是他将自己写的《工程控制论》得的一等奨的奨金,未经过自己的口袋,让秘书全部捐给了系里,买了计算尺送学生,高年级同学人手一把。当时大部分学生是买不起计算尺的,而离开计算尺,电工课里交流电的幅角、复数运算以及气体热力学指数的运算是无法进行的。同学们十分珍惜这么好的学习条件,以致于我现在都会很熟练地使用计算尺。但我仅是到了2001年,庆贺钱先生九十华诞时,从钱先生秘书涂元季先生的文章中才知道了计算尺的来历。

 报答钱先生(及系里其他老师)的教育之恩,最好的办法就是听钱先生的话,按他的想法和要求为国家和人民做事情。他在“概论课”的第14章里讲到了水下发射导弹,在黑板上画了一枚多级火箭,浮阀等就像一个救生圈样地套在上面,这样可以省去巨大的发射架并给运输等带来很多便利……。这个图像,一直吸引着我。从三十年前开始,我有幸参加了这方面的工作。水下高速运动的物体除了像空中运动物体那样要有好的流线体外形,还有其他什么差别和特殊问题呢?那就是附着于物体表面的空泡及产生推力的发动机的燃气喷流。

 与在空气动力学领域里一样,钱先生在这方面也有专门的论述。早在1956年,他就在清华大学工程力学研究班讲授了水动力学,对空化、空蚀、空泡流、水波等最先进的理论作了系统的讲解。他是这样引入空泡的:“液体在一定条件下是可以变成气体的。就是液体及气体之间有一定的转换条件,这个转换条件是一定温度下的物质汽压;如果液体的压力高于汽压,那么液体是稳定的,它不会变成蒸汽;如果液体的压力低于汽压,那么液体是不稳定的,它会从液体变成蒸汽。这个汽压随着温度的升高而加大,就以水为例,在室温下,这个压力很小,在15°c时是0.0169个大气压。但在100°c时,因为是水的沸点,汽压就是一个大气压了。当液体在运动中,如果有一部分的静压力因速度的增加,照Bernoulli定理降低到相应于液温的汽压时,什么现象会发生?我们知道在流动中,最低的压力,也就是最高速度往往出现于固体的表面,我们的观察发现在表面压力降至汽压时,液体里面发生许多气泡,这些气泡在低压区的前端发生,顺着一般液体下流。如果低压区很小,气泡从新进入高压区以后,也就是当气泡周围压力上昇到汽压以上之后,气泡又以很快的速度收缩而消灭。在外貌上看,表面上的低压区有一片白沫,而白沫实际上是由千百个不断发生而又消灭的小气泡所组成的。白沫就是空泡现象。” 1961年,钱学森先生在给我们中国科学技术大学力学系学生讲火箭技术概论中关于水下发射曾指出:“水中发射的机理比陆地上发射要复杂得多。发动机的燃气受到周围海水的阻碍,不能很痛快地排出;或者说发动机喷管的出口周围压力比在地面上的数值要大些。例如在水下10米处,周围压力就是2大气压,而不是地面上的1大气压。这就使得推力有些減小。最后由于水的惯性,在不同深度,弹体上承受有大小不同的压力,尾喷管塞子上的压力最大。若点火后,噴管塞子打开时间稍早,或燃烧室压力上升不够快,水被推开后又会涌回来,可能造成燃烧室闷气的現象。”因此,早在半个世纪前钱先生就为水下高速航行指明了关键技术和研究的方向。

“九五”、“十五”期间,有动力水下发射高温燃气喷入水中的气、水两相流动问题困惑着我,为此向王柏懿(研究员、力学所副所长)和徐文灿(北京理工大学教授)等同学请教。他们在国内首次提出了燃气的气、水两相流动力学模型,还开展了数值模拟、水槽喷流实验;在国内首次从火箭发动机燃烧室里药柱的化学反应算起,一直算出拉伐尔喷管出口处的燃气各种成分的速度、温度、压力分布等。我们三方携手合作多年,很好地完成了上级下达的水动力预研课题,先后得到了国家科技进步三等奨及航天部科技进步奨等多项奨励。就是得益于“概论”课程中的火箭发动机推力与水下发射机理的学习。5907级一专业分到航天一、二、三、五、十院及总装气动、发射基地的同学有: 孙毅俊、赵福祥、游雄、闻兴元、印家坤、陈瑜、余儒君、刘章喜等,由于钱先生在“概论课”上的知识传授及学风教育,大家在各自的岗位上,都做出了很好的成绩。

5907级二、三专业分到航天系统的同学很多,做出的成绩更优于我们一专业的同学。此外,当年一起听“概论课”年龄最小的同学、国际著名的水动力学专家吴有生就于1995年当选为中国工程院院士(现为中船总702所名誉所长)。他在本世纪初召开的“二十一世纪的力学发展”会上指出: 当今空气中的飞行器飞得比鸟快, 这已是习以为常、司空见惯;然而在水中, 船及一些水中的航行体等运动的都要比鱼游得慢, 因此有好多问题值得我们研究与探讨。他还预言: 本世纪水中运动的航行体速度将会大大提高, 超过鱼的游动。  

让我们继续贯彻钱先生的“力学是技术科学的指导思想”,实现水下高速航行!以此来纪念伟大的科学家和教育家钱学森先生。                                  

作者简介毛鸿羽,男,1941年生,研究员。1959-1964年于中国科学技术大学近代力学系高速空气动力学专业学习,毕业后分到航天部三院至今,一直从事飞行器的气动设计与水动力研究。1980-1982年在西德宇航院气动设计所访问学习。在“八五”、“九五”、“十五”期间曾任总装备部(原国防科工委)水动力学专业组成员,先后获得部级科技进步成果奖6项、国家科技进步成果三等奖1项。2004年退休。

(中国科学技术大学5907级毕业生)