为发展我国两弹事业作出重要贡献的郭永怀

　　郭永怀，１９０９年４月４日出生于山东省荣成县。郭家世代务农，父亲郭文吉粗通文墨。１９１８年，９岁的郭永怀在三叔郭文秀开办的学堂里读书识字。１９２２年，在石岛镇明德小学就读高小。１９２６年，他以优秀的成绩考取青岛大学附中。１９２９年夏，进入南开大学预科班学习。由于他勤奋好学，所以名列前茅。他还同胡世华、陈振汉等组织了一个新颖的读书会——微社，切磋砥砺，钻研学问。１９３１年，郭永怀转入本科，攻读物理。由于他对光学感兴趣，于１９３３年转到北京大学物理系学习。１９３５年毕业后，他留校任助教兼做研究工作，曾和吴大猷等一起研究过喇曼效应。抗日战争爆发后，郭永怀曾回家乡威海任教。１９３８年威海沦陷，郭永怀又辗转到昆明西南联合大学半工半读，研究过湍流理论。在青少年时期，他先后得到过顾静薇、饶毓泰、周培源等教授的指导，所以不仅具备了坚实的数学物理基础，而且也确立了“科学救国”的思想。

　　１９３９年，郭永怀以优异成绩考取了中英庚款留学生。经过一些波折，于翌年９月到加拿大多伦多大学，在应用数学系主任Ｗ．Ｒ．辛格（Ｓｙｎｇｅ）指导下从事研究。他仅以半年时间就完成了《可压缩粘性流体在直管中的流动》的论文，并获得了硕士学位。他的出色工作受到导师辛格的赞赏。１９４１年５月，他又来到当时国际空气动力学的研究中心——美国西岸加州理工学院古根海姆航空实验室（ＧＡＬＣＩＴ），在航空大师Ｔ．冯·卡门（ｖｏｎ Ｋáｒｍáｎ）教授的指导下工作。他主动提出要进行当时空气动力学的前沿问题——跨声速流下连续解的研究，并于１９４５年获得博士学位。在留学期间，由于有名师指导和良好的研究环境，加之他本人的刻苦努力，为他在以后１０年的研究工作取得丰硕成果奠定了基础。

　　１９４６年，Ｗ．Ｒ．西尔斯（Ｓｅａｒｓ）在康奈尔大学创办航空研究院。他特聘郭永怀前去参加业务领导工作，历任副教授、教授之职。实际上，郭永怀在这１０年间是当时康奈尔大学航空研究院的三个主持人（即西尔斯、郭永怀、康脱洛维茨）之一。这１０年也是郭永怀从事科学研究的黄金时期。他着重对跨声速理论与粘性流动进行了深入的研究，先后发表了《可压缩无旋亚声速和超声速混合型流动和上临界马赫数》（与钱学森合作）、《关于中等雷诺数下不可压缩粘性流体绕平板的流动》、《弱激波从沿平板的边界层的反射》等重要文章，解决了跨声速流动中的重大理论问题。与此同时，为了解决边界层的奇异性，他改进了Ｈ．庞加莱（Ｐｏｉｎｃáｒｅ）、Ｊ．莱特希尔（Ｌｉｇｈｔｈｉｌｌ）的变形参数和变形坐标法，发展了奇异摄动理论。为此，钱学森于１９５５年在《Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ》杂志上发表文章，将这一方法命名为ＰＬＫ方法。值得一提的是，郭永怀在５０年代初就注意到离超声速流动这一方向，研究了高超声速激波边界层干扰和离解效应。郭永怀因在空气动力学与应用数学中的研究成果而驰名世界。

　　在国外工作期间，郭永怀一直在等待机会，要用他的科学知识为祖国服务。抗美援朝战争结束后，在中国政府的努力下，终于出现了这种机会。这时，郭永怀毅然放弃了在国外的优越条件与待遇，于１９５６年１１月回到了阔别１６年的祖国，并立即投身于轰轰烈烈的社会主义建设事业。

　　在国内工作的１２年期间，他把主要精力放在组织、领导国内的力学与国防科研上，并先后担任了中国科学院数学物理化学部学部委员、力学研究所副所长、二机部九院副院长、中国科学技术大学化学物理系主任、国防科委空气动力学专业组成员和空气动力学研究院筹备组副组长、中国航空学会副理事长等职。 中学生科技网 http://www.zxskj.com

　　１９５６年，郭永怀参加了制订“国家科学技术发展十二年规划”，担任了力学专业副组长。他和力学界的其他专家一起审时度势，分析国际上力学研究的动向，并根据我国的国情，制订出学科近期发展规划与远期奋斗目标，确定高等学校力学专业的培养目标与课程设置，为我国随后若干年的发展方向确定方针大计。规划的实施使我国的力学研究从解放初期只有少量理论工作的状况发展到能够通过现场测试、大型实验、数值模拟和理论分析等多种手段进行重大项目研究的现代力学阶段。

　　郭永怀回国以后，就身体力行倡导高超声速流动、电磁流体力学和爆炸力学等新兴领域的研究。他亲自参加力学所电磁流体组每周一次的学术讨论会；６０年代初，他组织了北京地区高超声速讨论班；他一方面要求大爆破问题组人员踏踏实实地学一本书，一方面又鼓励大家深入实际。他指导研究生从事这些新方向的理论与实验研究。对于新学科方向的发展，他提出了许多重要思想和精辟的见解。

　　郭永怀对于国防工业和科研的贡献是多方面的，涉及了许多重大的项目。从１９５７年１１月４日，苏联发射第一颗人造卫星起，他就参加了中国科学院星际航行座谈会，大力倡导我国要发展航天事业，并就许多技术问题，如运载工具、推进剂、姿态控制、气动力、气动热等发表了许多重要见解和主张。在第四次座谈会上作了“宇宙飞船的回地问题”的中心发言，对气动减速、气动加热、烧蚀防热、回地轨道设计等问题进行了细致的分析，还提出了利用举力面的设想。随后，当研制人造卫星提到议事日程上时，郭永怀参加了负责卫星本体设计的人造卫星研究院的领导工作。１９６４年，郭永怀参加了再入物理工程的筹备工作。他认为应将再入物理现象的研究作为这个项目的理论研究方向，并明确提出建立高温物理所的主张，对实验设备的筹建工作他亦费尽心血；１９６７年，郭永怀参加了空气动力学研究院的筹建工作，担任了主管技术工作的副组长。他首先就空气动力学研究院的服务对象、研究手段、重点设备、测试方法等提出了建议，并和钱学森一起为该院规划了蓝图，为以后空气动力学研究发展中心的建设奠定了基础；为了发展我国的“两弹”事业，郭永怀更是呕心沥血，从理论到实践都作出了重要贡献，他多次赴现场参加准备工作，直至献出自己宝贵的生命。

　　郭永怀的生活年代恰逢清朝末代皇帝溥仪登基到中华人民共和国成立直至“文化大革命”我们国家沧桑巨变的６０年，也是人类从莱特兄弟第一次飞行到美国实现阿波罗登月计划，跨入空间时代突飞猛进的６０年。郭永怀为我国的力学事业，也为人类的航空航天事业奉献了毕生的精力。他的学术成就和高尚品德是每个中国人、每个力学工作者值得引以自豪的。为了表彰郭永怀的功绩，中华人民共和国内务部于１９６８年１２月２５日授予郭永怀烈士称号。

攻克“突破声障”的理论堡垒

　　１９０８年，莱特兄弟实现了人类飞行的梦想。到三四十年代，飞机平均时速达到了三四百公里，人们正在为进一步提高飞行速度而奋斗。这是航空发展史上第二个里程碑。为了提高飞行速度，在技术上遇到了极大的困难，也就是说，当飞机以接近于声速的速度飞行时，阻力剧增，升力骤降，头重尾轻，舵面失灵，甚至机翼、机身发生强烈振动。因此，跨声速流是当时摆在力学家和航空工程师面前的一个艰巨课题。人们形象地称这一难题为“声障”。

　　在理论上进行研究也有很大困难。一方面，在跨声速范围内，即使是薄翼和细长体，线性化理论不再适用，必须考虑非线性效应；另一方面，由于出现兼有亚声速与超声速区域的混合流动，必须发展混合型方程的理论，尤其是当来流速度超过某一临界值以后，会出现激波，所以，在流场中存在着未知的间断面，通过该间断面，物理量的变化是不连续的。２０世纪三四十年代，在冯·卡门领导下，有一批科学家聚集在美国加州理工学院的古根海姆航空实验室为攻克这个堡垒进行了大量艰苦的研究工作。其中，郭永怀在跨声速领域的理论研究方面作出了杰出贡献。

　　郭永怀对跨声速流动不连续解的研究不仅在数学上有创见，即采用了渐近分析方法来克服超几何级数收敛缓慢的困难，更重要的是，他与钱学森一起，在《可压缩流体二维无旋亚声速和超声速混合型流动和上临界马赫数》一文中提出了所谓“上临界马赫数”的概念，回答了机翼上何时会出现激波这个重要的理论问题。尽管人们当时凭直觉已经意识到激波的出现是气动特性改变的主要原因，但起初往往只注意下临界马赫数（即流场中第一次出现声速的飞行马赫数）这个参数。郭永怀的连续解说明，即使飞行速度超过了下临界马赫数，在理论上连续解依然可能存在，只有当飞行马赫数超过了上临界马赫数（即流场中第一次出现极限线的马赫数）时才会出现激波。这时等熵流动条件破环，流动出现分离与旋涡，流体的一部分机械能转变为热能。所有这些因素都会严重地改变流场与气动特性。所以，真正有实际意义的是上临界马赫数，而不是下临界马赫数。这是一个重大的发现。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，这也是对高性能气动外型的设计的先驱性工作。

　　郭永怀对激波与边界层相互作用的研究回答了激波是怎样影响翼剖面气动特性的这个重要问题。在这一时期，已有的简化模型只在速度型上逐步接近实际，但均未考虑粘性效应，所以至多给出定性结果。郭永怀用两种不同途径直接考虑了弱激波从平板边界层的反射，得到了平板上压力分布