郭永怀


郭永怀(1909年4月4日-1968年12月5日) ,男,山东省荣成市人,中共党员,中国著名空气动力学家。历任中国科学院学部委员,中国科学院力学研究所副所长,中国力学学会副理事长,二机部第九研究所副所长、第九研究院副院长等职。在中国原子弹、氢弹的研制工作中领导和组织爆轰力学、高压物态方程、空气动力学、飞行力学、结构力学和武器环境实验科学等研究工作,解决了一系列重大问题。1999年被授予“两弹一星荣誉勋章”,是唯一一位获得“烈士”称号的科学家。

郭永怀 - 生平

早期经历

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。

学业有成

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,在应用数学系主任辛格指导下从事研究。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在航空大师卡门教授的指导下工作。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,西尔斯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,他改进了庞加莱、莱特希尔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《AdvancesinAppliedMechanics》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。

报效祖国

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。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,并根据中国的国情,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,为中国随后若干年的发展方向确定方针大计。规划的实施使中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。

意外早逝

郭永怀几十年如一日忘我工作,把全部心血都倾注到了科研事业中。

1968年12月初,59岁的郭永怀在青海基地发现一个重要数据,他急于赶回北京研究,便搭乘了夜班飞机。12月5日凌晨,飞机即将抵达北京机场,在距地面约400米时,突然失去平衡,偏离跑道,扎向1公里外的玉米地。当人们从机身残骸中寻找到郭永怀时,吃惊地发现他的遗体同警卫员紧紧抱在一起。烧焦的两具遗体被吃力地分开后,才发现两具尸体的胸部中间,一份热核导弹试验数据文件却完好无损,前来接应的士兵当场跪地痛哭,那就是他们力学所的副所长郭永怀和他的警卫员牟方东。 

周恩来得知郭永怀牺牲的消息,眼睛顿时湿润了。钱学森更是伤感不已地叹息:“一个全世界知名的优秀力学专家离开了人世。”现在,中国空气动力中心大院的松林山上建有一座纪念亭,上面刻着张爱萍将军所书的三个大字——“永怀亭”。

1968年12月5日凌晨,北京城曙色未白,寒气逼人,六时许,首都机场附近的居民听到一声巨大的轰响,一架民航飞机在即将着陆时突然失事。一头扎在了机场附近的玉米地里,现场惨不忍睹,十三具烧焦的尸体散落一地,面目全非,难以辨认。但是有两具抱在一起的尸体格外引人注目,当人们费力地把他们分开时,

郭永怀 - 主要贡献

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。到二十世纪三四十年代,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”。

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。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。

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、流线曲率、分离点等物理量的变化规律,包括层流与湍流边界层的情况。他的结论同里普曼的实验结果十分一致。这对于机翼上出现激波后,气动特性的变化的分析研究具有深远的意义。

发展奇异摄动理论

在20世纪40年代,由于计算机的发展还处于初级阶段,而在流体力学中只有罕见的几个准确解,所以,寻求物理问题的近似解析解颇受青睐。摄动理论就是求物理问题近似解的一种有效手段,所以也得到了相应的发展。

但是,在应用摄动法时,所得到的解往往不是在整个区域中一致有效的。为了克服这一困难,奇异摄动理论应运而生,奇异摄动理论最常用的两个方法是匹配渐近展开法和变形坐标法。郭永怀在这两个方面都有贡献。郭永怀还推广了庞加莱的变形参数法和莱特希尔的变形坐标法,使它对于一阶方程即使是非线性的情况也适用。他还将边界层方法同变形坐标法结合起来,以消除边界层前缘的奇异性。在郭永怀的《关于中等雷诺数下不可压缩粘性流体绕平板的流动》一文中,不仅克服了前缘奇异性的困难,给出了有限长度平板二阶阻力公式,使适用范围扩展到Re=15左右,而且准确地描述了平板前缘附近缓慢流动的流场特性。PLK方法在力学和其他学科中得到了广泛的应用。现在,摄动理论成为比较完整和系统的学科,郭永怀则是这门学科最重要的十几位理论奠基人之一。

开拓中国的近代力学事业

高速飞行器

20世纪50年代,由于航天技术的迅速发展,促进了高超声速空气动力学的发展。1957年,郭永怀在《现代空气动力学问题》的报告中,指出高超声速空气动力学应该是中国随后一个时期的重点研究方向。他和钱学森极力倡导在国内开展高速、超高速空气动力学、电磁流体力学和爆炸力学等新兴学科的研究。为了将这些领域的研究铺开,他在北京组织了高超声速讨论班,研究探讨了许多前沿领域的重大课题,对中国高速飞行器的研究有着重要的指导意义。 

磁流体力学

20世纪中叶,由于能源危机迫在眉睫和高速流动中电离现象的出现,磁流体这门新学科引起了国际上的广泛关注。郭永怀抓住这一苗头,于1961年在力学所筹建并领导了磁流体力学研究室。他为这个室选定了三大研究课题:磁流体和等离子体稳定性;磁流体直接发电;同位素的电磁分离。他还以敏锐的眼光指出磁流体发电原理应当和原子能技术结合起来。这是很富有创造性的思想。

培养科技人才

早在回国以前,郭永怀就同谈镐生探讨过回国后如何培养力学人才的问题。回国后,他始终把培养科技人才当作头等大事来抓。

1956年,中国恢复建立研究生制度。郭永怀积极筹划力学所的研究生培养。在第一批招生中,他一人就带了5名研究生,以后又亲自带过几批。他主张:培养人才要“言教、身教,以身教为主”。在教学和科研中,他自己做表率,经常同年轻人一道解决一个个具体的技术问题。在培养研究生和助手时,他注重使他们在理论分析和实验研究两个方面都得到提高。他对年轻人的指导和帮助是启发式的、循序渐进的,重点强调掌握科研方法,提高科研本领,而不仅仅是解决某些具体问题。在他的培养下,研究生中有不少已成为所级学术领导人或博士研究生的导师。  

郭永怀在培养人才方面不遗余力。1958年,他兼任中国科技大学化学物理系主任和北京大学数学力学系教授,讲授高速边界层。执教中,每堂课都凝结了他的心血。他评论和分析学者们成功与失败的经验,使初入门的研究人员都深受启发,甚至终生受用。在讲到求解各种形式的NS方程时,他总是眉飞色舞,侃侃而谈,指出采用什么样的变换有希望获得成功,走哪一条路是徒劳的,会遇到什么问题,症结何在。凡听过他课的人都感到回味无穷。

郭永怀是一位优秀的教育家。他将自己比作一颗石子,甘愿为青年人的成长铺路。他深感大批培养优秀人才是我国科技事业发展的重要保证。培养学术接班人这一艰巨任务在他的工作安排上占有突出的地位。他的一言一行都体现了这一点。1961年,他曾写道:“当前的打算是早日培养一批骨干力量,慢慢形成一支专业队伍。”随后他欣慰地说:“由于几年的工作,已经见到效果。”

献身核武器事业

1960年5月,郭永怀被调到核武器研究院(九院),并兼任该院副院长。他在处理好力学所日常工作的同时,把大量精力花费在研制核武器这项对中国政治、国防和科技发展有重大意义的事业中。在原子弹研制初期,郭永怀主要负责力学方面的领导工作。

在原子弹理论探索阶段,郭永怀对一些关键问题的解决作出了重大贡献。例如,当时在第一颗原子弹采取什么样的引爆方式上存在不同意见,郭永怀通过比较两者的优劣,大力支持“争取高的,准备低的”的方针,即以较高级的“内爆法”作为主攻方向。又如,在炸药爆轰波的理论计算上,郭永怀正确地提出用一维特征线法进行,解决了一大批理论和技术难题。为了使大家了解爆轰学,郭永怀还亲自讲授了爆炸力学。

在爆轰物理试验过程中,郭永怀经常深入试验现场,指导工作并协助开展试验。当时,为确定原子弹爆轰聚焦技术方案,争论是很热烈的。年轻的物理学家陈能宽提出了一个难度和风险都很大、但却能少走弯路的聚焦方案。许多人对此持怀疑态度。郭永怀从力学角度反复估算,大胆支持采纳这个方案。为了配合爆轰试验,郭永怀还指导设计部人员进行不同试验元件的结构设计,使爆轰试验得以顺利进行。

郭永怀十分重视并经常在九院的会议上反复强调核弹的武器化和系列化,指出要努力做好核武器的后期发展工作。在此后的进程中,他一直负责总体结构设计、外型设计以及环境模拟实验的指导与把关。他很早就安排了一系列与武器化有关的预研课题,包括结构设计、外型设计、飞行弹道、物理引信、环境试验项目与设备等。在弹体结构设计中,郭永怀提出了许多独特的设想,包括薄壳结构、通用核航弹等。它们都在后来的工作中逐步得以实施,对核武器的轻型化、实战化和系列化以及新原理实验具有重要的意义。

环境试验

在环境试验方面,郭永怀在建立中国核武器环境试验设备及分析研究上起了主导作用。他从技术人员的配备、课题的安排、试验项目的确定和试验设备的筹建等多方面入手,使中国有了一整套大型、精密、试验范围较广的设备,包括冲击、噪声、振动、过载、温湿度、霉菌、盐雾的组合试验设备和大型离心试验机等。他还亲自出马,找有关单位协商研制专门设备。

郭永怀参加了1964年10月16日中国第一颗原子弹爆炸试验,以后又参加了核航弹、氢弹和导弹核武器试验。他对中国核武器事业的贡献是多方面的。例如,他对核武器系列化发展提出许多建议和设想;他指导进行了反潜核武器的水中爆炸力学研究、水洞试验以及调研工作;对研究发展潜地导弹也作出了贡献。此外,郭永怀还应两弹结合时期的需要,对中国核武器科研体制提出了重要设想。

郭永怀 - 力学研究

郭永怀不仅是著名的空气动力学家,而且是一代应用数学大师。将工程科学与数学紧密结合是他进行力学研究的风格。这种风格主要体现为:

1、从事力学研究,选题必须有比较明确的(包括远期的)应用背景。力学研究既不能象纯粹数学那样只用演绎的方法进行工作,也不能局限于非常具体的技术问题,必须将实践上升为理论,从中发现规律性的东西。

2、在大量观察与实验的基础上,通过对问题物理机制进行分析,提炼出既反映现象本质,又便于数学分析的简化力学模型。

3、采用一切现有的有效数学手段,将问题求解到尽可能彻底的地步,在必要时,要研究与发展新的数学方法,以满足工程需要。

4、对分析结果进行物理解释,揭示规律,并同实验与现场观测作比较。

郭永怀 - 家庭

郭永怀的妻子是李佩。李佩,江苏镇江人,1918年出生在北京。中学就读于美国教会学校贝满女中,1937年考入北京大学经济学系,1938年至1941年在昆明西南联大学习,曾任西南联大学生会副主席。大学毕业后,李佩在重庆中国劳动协会工作,参与诸多进步活动,创办工人夜校和工人托儿所。

1947年李佩赴美国康奈尔大学工业与劳工关系学院学习工商管理。次年,李佩与相识在西南联大的学长郭永怀结婚。1951年李佩受康奈尔大学语言学系系主任Shadack教授的邀请,给准备派作外交官的美国学生上中文课。1956年10月,著名力学家郭永怀带着妻子李佩和女儿历经周折从美国回到了祖国。李佩曾在中科院行政管理局西郊办公室任副主任。西郊办公室负责粮店、菜市场、餐馆、医院和中小学校的后勤建设工作,这为今后的中关村科学城打下基础。中关村道路两侧白杨树就是她组织科技人员栽种的,这些白杨树曾是中关村人的骄傲。

1966年“文革”开始,郭永怀因承担重要工作而受到特别保护,但李佩未能幸免。留学美国的经历让她成为“美国特务”,在单位接受审查。1968年12月5日,从核导弹试验基地乘飞机返京的郭永怀,因飞机失事不幸牺牲,终年59岁。12月25日,中华人民共和国内务部授予郭永怀烈士称号。1976年暑假李佩奉调回北京。1978年,李佩白手起家组织创办了中科院研究生院外语教学部。她编写的英语教材荣获国家优秀教材奖。她还举办了国内首期应用语言研究生班,为该学科在国内正式建立做了开拓性的工作,并誉为“中国应用语言学之母。”

郭永怀 - 文集论著

文集

1982年12月中国科学出版社出版了《郭永怀文集》。

1990年出版了《郭永怀纪念文集》

翻译论著

翻译并出版普朗特的名著《流体力学概论》,

《爆炸力学》。

郭永怀 - 荣誉

1985年补授予一项国家科学技术进步奖特等奖;

1999年被授予研制“两弹一星”有突出贡献的科技专家,并荣获“两弹一星功勋奖章”,该奖章于2003年9月18日由其妻子李佩赠给中国科学技术大学。

郭永怀 - 语录

“中国是我的祖国,我想走的时候就要走!”

“那毕竟是在别人的国土上,青山遮不住,毕竟东流去。中华儿女毕竟要回到祖国的怀抱”

“作为新中国的一个普通科技工作者,特别是作为一名共产党员,我只是希望自己的祖国早一天强大起来,永远不再受人欺侮。中国强大了,在世界事务中就会发挥更大作用……”

郭永怀 - 评价

“只有他能讲得这样传神。”——陆士嘉

“郭先生是一位才华横溢、有远见卓识的著名科学家和技术领导人。他理论功底深厚、思维敏捷、思路开阔,而且注重理论联系实际,善于在工作中准确把握科学研究的方向。在九院工作期间,郭先生始终深入到科研工作的第一线,为中国核武器事业的发展做了许多开创性的工作。”——朱光亚

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