西奥多·冯·卡门:为太空边界命名的工程师
根据国际惯例,海平面以上约100公里的线标志着大气层的终点和太空的起点。这条线以一位匈牙利出生的工程师的名字命名,他坚持到生命尽头都称自己为工程师而非科学家——因为正如他所说,“科学家描述已有的事物;工程师创造从未有过的事物。”西奥多·冯·卡门(Theodore von Kármán)花了六十年时间做到了这一点,并在此过程中几乎从零开始帮助发明了美国火箭技术。
父亲试图减缓其步伐的男孩
冯·卡门于1881年出生在布达佩斯的一个显赫家庭;他的父亲莫尔(Mór)是一位著名的教育改革家,对六岁儿子心算大数的能力感到震惊,以至于积极阻止他接受高级数学训练,担心西奥多会成为“神童和怪胎”。这一策略只是推迟了事情的发展——冯·卡门在布达佩斯皇家约瑟夫技术大学学习机械工程之前,就获得了匈牙利最高数学和科学学生奖,并于1902年毕业。1906年,他前往哥廷根,在现代空气动力学之父路德维希·普朗特(Ludwig Prandtl)手下工作,于1908年获得结构屈曲数学博士学位,随后从1913年起领导亚琛工业大学(RWTH Aachen)的航空研究所,期间因在第一次世界大战中为奥匈帝国军队设计早期直升机原型而短暂中断。
从风洞建立美国航空航天计划
1926年,加州理工学院(Caltech)将冯·卡门吸引到帕萨迪纳协助建造风洞。到1930年,由于对欧洲的政治走向日益警惕,他接受了加州理工学院古根海姆航空实验室的全职主任职位,并带着母亲和妹妹来到加州。在那里,他建立了该国领先的航空计划之一。当一名叫弗兰克·马利纳(Frank Malina)的研究生在20世纪30年代中期开始尝试火箭推进时,他支持了这项工作,而不是将其斥为科幻小说。1936年,当陆军航空队要求加州理工学院开发用于军用飞机的喷气辅助起飞火箭时,由于大学本身不愿经营工业业务,冯·卡门协助创立了喷气飞机工程公司(Aerojet Engineering Corporation)来制造它们,并与马利纳和古怪的化学家杰克·帕森斯(Jack Parsons)合作。那个火箭小组于1944年正式成立为喷气推进实验室(JPL),冯·卡门担任创始主任,该机构后来建造了美国第一颗卫星和到达太阳系每颗行星的机器人探测器。
涡流、桥梁与音障
冯·卡门的科学声誉建立在一种不同寻常的天赋之上,即找到简化数学假设,使棘手的流体动力学问题变得可解,历史学家托马斯·休斯(Thomas Hughes)特别将其归功于他的“天才”。他的名字与整个领域的现象联系在一起:冯·卡门涡街,即在流体中移动的物体后方剥离的交替涡流模式,仍然是流体动力学入门的基础,也是工程师在设计桥梁电缆到烟囱时必须考虑的现实危险。1940年塔科马海峡大桥以戏剧性且著名的电影方式崩塌时,冯·卡门在联邦调查委员会任职,并帮助确定了导致其损毁的与涡流脱落密切相关的空气动力学“颤振”。他也是最早大力推动他所谓的“通往超音速运动领域的关闭之门”的人之一,对后掠翼和可压缩气流进行了基础理论研究,为喷气式飞机和超音速飞机的设计扫清了道路。
将军的顾问,国际科学的建筑师
第二次世界大战期间,应亨利·“哈普”·阿诺德(Henry "Hap" Arnold)将军的邀请,冯·卡门离开加州理工学院,领导陆军航空队的科学咨询小组,战后参观了德国航空航天研究的废墟,并在随后的几年里塑造了美国长期的军事研究战略——即使在肠癌手术康复期间,他仍担任这一角色。他利用自己的影响力和国际地位建立持久的科学机构,而不仅仅是提供硬件建议:他帮助创立了1951年的北约空气动力学研究组织AGARD、1956年的国际航空科学理事会、比利时的冯·卡门流体力学研究所和1960年的国际宇航科学院。同事们记得他异常热情、风趣,并致力于在科学与国防日益交织的情况下保持科学的国际性——尽管包括物理学家悉尼·戈尔茨坦(Sydney Goldstein)在内的一些人指出,他发现军事赞助人是“最容易打交道的群体”,这种偏好塑造了他的想法在哪里以及如何被实现。
为什么西奥多被称为天才
这个案例基于一种独特且不寻常的组合:一种能够命名圆柱体和桥梁后方涡流模式的原始数学头脑,与工程师将数学转化为飞行硬件(后来是轨道硬件)的本能相结合。冯·卡门不仅描述了湍流和不稳定性——他建立了制度机器(GALCIT,然后是JPL),让他的学生和他们的学生能够对其采取行动,很少有20世纪的人物能声称既塑造了高速飞行理论,又塑造了将美国送入太空的字面组织。他自己对工程师的定义——“创造从未有过的事物”——与其说是吹嘘,不如说是准确的自我描述。
诚实的复杂之处在于,冯·卡门最大的制度遗产——JPL、Aerojet、AGARD——在很大程度上取决于他组织人员、确保军事赞助和识别马利纳等有前途的学生的能力,就像他推导出的任何单一方程一样。他自己认为“最优秀的创造性思维不是来自有组织的团队,而是来自自己世界的宁静”的观点,与他主要建立在组建大型、资金充足的团队之上的职业生涯显得格格不入;他的天才可能不在于孤独的洞察力,而在于准确地知道哪些问题和哪些人值得围绕其进行组织。
遗产
冯·卡门于1963年在亚琛去世,那是他美国职业生涯实际上开始的城市,距离他82岁生日仅差几天,几个月前他刚刚从肯尼迪总统手中获得了第一枚国家科学奖章。他终身未婚。卡门线根据国际惯例仍然定义着太空的边界;JPL仍然作为NASA机器人行星探测的主要中心运作;而以他名字命名的涡街模式仍然是许多工程系学生学习流体行为不端时学到的第一件事。
