让世界航空界致敬的中国科学家

涵薏

郭永怀 （1909-1968）

著名力学家  应用数学家  空气动力学家

中国近代力学事业的奠基人

被授予“两弹一星功勋奖章”

在空间飞行器运行中存在“三大障碍”，分别是声障、热障和黑障。所谓声障是指当飞机速度接近音速时，飞机的阻力会剧增，并引起机体强烈振动、操纵失灵等，最终会造成机身破裂，机毁人亡。而破解声障难题后，科学家又发现当飞行器的飞行速度达到2倍声速时，其前端温度可达100℃;当飞行器的飞行速度达到3倍声速时，其前端温度可达350℃，超过了铝合金的极限温度，使其强度大大削弱。

此外，空气和飞行器表面摩擦产生的热量，不仅飞行员受不了，机内许多设备无法工作，飞机结构和材料也无法承受，这就是热障。而黑障是发生在大气层的一种特有现象，当卫星、航天飞船、洲际导弹等空间飞行器以很高的速度再入大气层返回地球时，在一定高度和一定时间内与地面通信联络会严重失效，甚至完全中断。

在这三大障碍中，中国科学家郭永怀对声障和热障的研究都做作出了很大贡献，尤其在攻克声障的理论工作中取得了突破性贡献。郭永怀长达100页的博士论文至今还留在美国NASA，其中的研究成果依然在指导着美国的飞机制造。

小渔村走出来的天才少年

1909年4月4日，郭永怀出生在山东省荣成市海边一个海草房院落里，这个村庄的名字叫西滩郭家村，他的祖辈都是务农出生，没有特别出色的人才。郭永怀在家里排行老四，上面有3个哥哥。童年的生活十分艰苦，他年幼时候就去拾柴火、放牛和赶海，为家里减轻经济负担。但小小年纪的郭永怀展露出与众不同的学习能力，他的叔父是老一代的秀才，当时在私塾里教书，对这个侄子特别偏爱，建议大哥让这個侄子进入私塾好好读书。郭永怀果然没有辜负家人的厚望。在石岛镇的明德小学完成学业后，郭永怀被青岛大学附中录取为公费生，成为了村子里第一个中学生。毕业后，家境贫寒的郭永怀没有停止前进的脚步，以优异的成绩考入了南开大学预科理工班，依然获得了公费生名额。

郭永怀十分珍惜南开大学的学习生活。在学校中，他谦恭好学，沉默寡言，坚韧不拔，无论多难的题目，他都不会放弃，坚持在冥思苦想中独立完成。大学的生活十分惬意，同学们十分活跃，但是郭永怀却是一心埋头钻研学问，几乎不参与玩乐活动。

为了研究胶卷的感光知识，郭永怀向老师贷款购置了一架照相机，在不停地摆弄和拆装中，他渐渐地弄懂了其中的原理。由此，他也立志未来要从事物理学研究。民国时代，物理系的学生除了科研工作外，在社会上很难找到“高收入”的工作，“好心”同学的“善意”提醒并没有改变郭永怀的志向，在老师的推荐下，郭永怀进入了北大物理系深造，成为了中国现代物理学研究的先驱者之一的饶毓泰教授的研究生。饶毓泰培养的学生还有杨振宁、黄昆、张守廉、邓稼先、李政道等蜚声海内外的知名物理学家。

1937年抗日战争爆发，郭永怀随着北大迁往昆明，在西南联大继续工作学习。1938年夏，中英庚子赔款基金会留学委员会举行了第七届留学生招生考试，在3000多名参考者中，力学专业只招一名。郭永怀与钱伟长、林家翘一起以5门课超过350分的相同分数同时被录取。因为第二次世界大战在欧洲爆发，海路出行遭遇困难，原本去英国学习的计划搁浅，英国政府打算送这批留学生到英联邦的加拿大学习。

突破“声障困境”

1940年，郭永怀和钱伟长、林家翘一起来到了加拿大多伦多大学求学，他们都师从学校应用数学系教授、力学家辛格。辛格对三位出类拔萃的中国留学生十分器重，在那里，郭永怀完成了题为《可压缩粘性流体在直管中的流动》的论文，获得了硕士学位。

硕士毕业后，郭永怀并没有停下努力的脚步，他想要攻克当时被誉为世界性难题的“声障困境”。但是辛格教授对这个领域并不熟悉。为了实现自己的远大抱负，1941年，郭永怀赴当时国际上著名的空气动力学研究中心――美国加州理工学院研究可压缩流体力学，他和钱学森都成为了当时最优秀的流体力学和空气动力学专家冯·卡门的学生。当时加州理工学院的航空系正处于鼎盛时期，但是在精英荟萃的航空系也没有人敢向这个难题挑战，冯·卡门十分钦佩这个中国年轻人的挑战精神。

在加州理工学院，郭永怀停止一切娱乐活动，进行了持续4年的艰苦的科研工作。除了与同学钱学森、钱伟长、林家翘进行学术讨论外，他的生活就是独立研究，并进行大量的计算。1945年，他终于完成了有关跨声速流动不连续解的高难度论文，获得了冯·卡门的高度评价。

在研究中，郭永怀发现了跨越声速的一些现象，提出了“上临界马赫数”概念并得到了实验证实，为解决跨声速飞行问题奠定了坚实的理论基础。郭永怀还进一步用稳定性理论解释实际临界马赫数会介于上下临界马赫数之间的原因，这也是关于高性能气动外型设计的先驱性工作。他还对激波和边界层进行了深入研究。边界层是飞机飞行的时候表面上很薄的一层，几十米长的机翼，边界层厚度大概只有10厘米，这层里面粘性起到了主要作用。在研究边界层过程中，郭永怀运用了特别有效的数学方法，这个方法后来被叫做“庞加莱—莱特希尔—郭永怀”方法，简称PLK方法，用处非常广，解决的都是各种实际问题。

郭永怀在空气动力学研究领域取得的非凡成绩引起了美国各大学的关注。1946年，美国康奈尔大学邀请郭永怀前去任教，他在康奈尔大学航空研究生院工作了整整10年，专注于粘性流体力学的研究。

当时的郭永怀已经是美国知名科学家，他是美国航空咨询委员会（即NACA， NASA的前身）47名委员中的3位华裔科学家之一，其他两位就我们熟悉的钱学森和林家翘。

虽然专心致志从事科研工作，但郭永怀也时刻关心着祖国的发展。新中国成立前夕，在康奈尔大学中成立了“中国科学工作者协会美国分会”，郭永怀积极参与分会组织的各种活动，和其他科学家们一起热烈讨论祖国的命运和未来。他和夫人李佩渴望着回国的那一天，他们要利用自己所学报效祖国，建设新中国。

回国后做出巨大贡献

郭永怀策划归国时，好友钱学森也在做相同的准备。今天我们都知道，钱学森的回国之路也遇到了巨大阻碍，美国政府不允许他回国，还粗暴地限制了他的人身自由。在风景秀丽的帕萨迪纳，郭永怀和钱学森再次相聚，他们在异国他乡有机会就会在一起聊祖国，聊科学。但是此次的情况不同，听着好友的各种倾诉，郭永怀的眉头紧锁，他不断安慰着好友，也对自己的归国之路充满了担忧。

1955年，在周恩来总理的干预下，钱学森终于回到了祖国，郭永怀欣喜不已，归心似箭，1956年，郭永怀跟随好友的步伐，放弃了美国优渥的科研和生活条件，带着妻女搭乘“克里弗兰总统号”邮轮经由日本，回到了阔别16年的祖国。他们看到祖国的第一眼，是灰色的海岸线上一些零散着的灰色的石头房子，那里是日后的深圳。

1957年6月7日，郭永怀在《光明日报》上发表了题为“我为什么回到祖国——写给还留在美国的同学和朋友们”的署名文章，表达了自己的心声。他在这篇文章中这样写道：“这几年来，我国在共产党领导下所获得的辉煌成就，连我们的敌人，也不能不承认。在这样一个千载难逢的时代，我自认为，我作为一个中国人，有责任回到祖国，和人民一道，共同建设我们美丽的山河。”

归国后，郭永怀的第一项工作就是与钱学森一起领导刚成立的中国力学研究所。他和同事们一起制定了力学所未来“上天、入地和下海”的科研方向。他和钱学森的合作亲密无间，这个科学家二人组当时被人们风趣地冠之以“冯卡门Brothers（冯卡门兄弟）”的称号。

20世纪50年代，全球开始进入空间时代，发达国家纷纷进行火箭和人造卫星的研究，飞行器的速度需要接近或者高于第一宇宙速度，这样才能摆脱地球引力，顺利进入太空。高超声速空气动力学是其中的重要研究內容，在带领力学所科研人员攻关的过程中，郭永怀把目光又放到了热障领域，当飞行器的速度到达2倍声速时，飞行器周边的空气会强烈压缩和摩擦，形成高达几千摄氏度的高温，如果用普通的材料，飞行器会快速坍塌和溶解。郭永怀提出，要解决这个问题，必须要在飞行器表面开展防蚀研究。在研究理论的同时，力学所开展了各种材料的防烧蚀研究，进行了几百次的大型试验，这些研究为中国科研人员之后突破热障难题奠定了坚实的基础。

在之后的科研生涯中，郭永怀根据国家的需求又在爆炸物理学、电磁流体力学方面作出了突出的科研贡献。

1959年6月，苏联单方面突然致函中共中央，拒绝向中国提供原子弹的数学模型和技术资料，并撤走所有技术和专家。1960年3月的一天，后来被称之为中国原子弹之父的钱三强突然上门来找郭永怀，两人走进书房，门一关，足足谈了三个小时。

正是这一次拜访，使得郭永怀的名字和中国原子弹联系到了一起。105名专家学者组成了一支特殊的队伍，郭永怀临危受命负责原子弹的理论探索和研制工作。他和实验物理学家王淦昌落、段理论物理学家彭桓武一起，组成了中国核武器研究最初的三大支柱。

意外身亡令人扼腕叹息

1963年，郭永怀和同事们赶赴位于青海的核武器研制基地。基地位于海拔3800多米的高原地区，条件异常艰苦，那里气候变化无常，冬季最低气温零下40度，物资又十分匮乏。郭永怀和同事们没有被困难打倒，全力开展核武器的研究工作。爆轰物理试验，是突破原子弹技术的重要一环，为了取得满意的爆炸模型，郭永怀带领队员反复试验，甚至自己跑到帐篷去搅拌炸药。在多次试验后，郭永怀提出了两路并进、最后择优的办法，为第一颗原子弹爆炸确定了最佳方案，这种方案后来被应用于中国整个第一代武器研制过程。

1964年10月16日，中国第一颗原子弹装置爆炸试验取得圆满成功，1967年6月17日，中国第一颗氢弹爆炸试验成功。当蘑菇云升起，全体工作人员一片沸腾，郭永怀也是激动异常。

1968年12月4日，在青海基地整整呆了两个多月的郭永怀，在试验中发现了一个重要线索，他要赶回北京。他匆匆从青海基地赶到兰州，就在兰州换乘飞机的间隙里，他还认真地听取了课题组人员的情况汇报。

12月5日凌晨，飞机在首都机场徐徐降落，在离地面400多米的时候，突然，飞机失去了平衡，偏离降落的跑道，歪歪斜斜地向1公里以外的玉米地里一头扎了下去——只听“轰”的一声，飞机前舱碎裂，紧接着火焰冲天蹿起……迎接郭永怀的人们从惊异中清醒过来的时候，急忙向出事现场飞奔过去，看到机舱内有两具烧焦的尸体紧紧抱在一起，他们是郭永怀和警卫员牟方东。当把他们分开后，两人紧贴的胸部掉出一个完好无损的装着绝密文件的公文包，绝密文件是从青海试验基地带回北京的热核导弹试验数据。在人生的最后一刻，他们想到的依然是保护绝密的科研资料。

郭永怀飞机失事的消息第一时间传到国务院，周恩来总理失声痛哭，良久不语，郭永怀牺牲的第22天，中国第一颗热核导弹试验获得了成功，为了这次试验，郭永怀和同事们同样付出了艰辛的努力。

在纪念郭永怀殉国10周年的大会上，时任中科院秘书长的郁文高度评价了郭永怀的一生，“他是一个老老实实的科学家，老老实实的共产党员，他从来就是说真话，不说假话，从来不会趋炎附势。一个人能够做到先公后私已经很不容易，公而忘私更是难能可贵，而郭永怀同志真正做到了大公无私。”

1988年12月5日，当郭永怀牺牲20周年的时候，他生前的老师、同窗好友、同事以及学生聚集力学研究所举行报告会，周培源、钱学森、钱三强、张爱萍、王淦昌、彭桓武、朱光亚等到会并撰写纪念文章。聂荣臻元帅、宋任穷、张劲夫等题词纪念这位英雄科学家。

1991年开始，中科院力学所设立了以郭永怀名字冠名的奖学金，作为对力学所品学兼优的研究生的最高奖励。

1999年郭永怀被授予“两弹一星功勋奖章”，是该群体中唯一一位获得“烈士”称号的科学家。

2018年7月，国际小行星中心发布公告，编号为212796号的小行星被永久命名为“郭永怀星”。（本文图片由作者提供）