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世界上主流航空發動機的研制都利用了中國人的理論

2019-12-6 15:45| 發布者: cncelab| 查看: 1319| 評論: 0|原作者: 陳歡歡|來自: 中國科學報

摘要: 最突出的貢獻在于創立“葉輪機械三元流動理論”,被國際同行稱為“吳氏通用理論”,廣泛應用于先進航空發動機設計。牽頭創立了工程熱物理學科,提出“能的梯級利用與總能系統”思想,對我國的能源規劃產生深遠影響。
人物簡介
吳仲華(1917.7.27~1992.9.19),出生于上海,祖籍江蘇蘇州,工程熱物理學家,中國科學院學部委員。
最突出的貢獻在于創立“葉輪機械三元流動理論”,被國際同行稱為“吳氏通用理論”,廣泛應用于先進航空發動機設計。牽頭創立了工程熱物理學科,提出“能的梯級利用與總能系統”思想,對我國的能源規劃產生深遠影響。

回國后歷任清華大學動力機械系教授、中國科學院動力研究室主任、中國科學院力學研究所副所長、中國科學院工程熱物理研究所所長等職,為我國工程熱物理學科培養了一大批人才。

“中國有吳仲華,還要引進航空發動機?”
上世紀70年代,當得知中國要引進英國羅羅(Rolls-Royce)公司的斯貝發動機,英國人詫異道。
要知道,斯貝發動機的研制,得益于中國科學家吳仲華提出的葉輪機械三元流動理論。并且,世界上主流航空發動機的研制都利用了該理論。
1979年春,中美建交之初,吳仲華率隊訪美,在洛杉磯轉機時,通用電氣公司(GE)派了兩架總裁專機接送,升中國國旗歡迎,其中主機邀請吳仲華一人乘坐,以示敬意。
如果要列一個“加速世界文明進程的中國科學家”榜單,吳仲華一定會留下名字。而他一生的追求則是:“中國人搞出的理論,首先要為中國人民服務!”

青年求學 榮登高峰
二戰之后,航空工業受到前所未有的重視,為提高飛機發動機性能,各國都投入重金。但航空噴氣發動機(燃氣輪機)技術含量極高,求解其內部流動的控制方程組,即使在今天仍然是“不可能的任務”。
誰也不曾想到,一位來自中國的年輕人會解開這道難題,做出影響整個工業界的理論突破。

▲青年時代的吳仲華與李敏華

此時的吳仲華和妻子李敏華,剛剛從美國麻省理工學院(MIT)取得博士學位,雙雙進入美國國家航空咨詢委員會(NACA,美國宇航局前身)工作。
在上世紀40年代,發生了一件“不起眼”的“大事”——電子計算機在美國誕生。當時人們并未預料到其變革性的影響,吳仲華卻洞察先機,成為國際大規?茖W計算的開拓者之一。
1950年,他經過嚴格的論證分析,做出兩大顛覆性突破:一是摒棄當時公認的視葉片為孤立翼型的方法,將難以計算的黏性選項代之以熵的梯度,提出吳氏方程;二是拋棄當時流體力學界推崇的解析求解方法,把復雜的三維空間流動分解成幾個簡單合理的二維計算,使得利用計算機進行數值求解成為可能。
這項工作一經發表,掌聲和質疑聲紛至沓來。這位博士畢業3年的年輕人何以敢挑戰權威、挑戰經典?40年后,吳仲華當時的主要爭論對手——加州理工學院教授Frank Marble回憶起這段經歷時微笑著說:“吳是對的,我當時錯了!薄罢搼稹笔『,Marble轉向別的方向。
國外學者曾總結,上世紀50年代初,葉輪機械界發生了兩件大事:電子計算機的發明和葉輪機械三元流動理論的創立。
此后,航空發動機發展走上“快車道”,世界三大飛機發動機制造商羅羅、普惠和GE的先進發動機紛紛實現商用。吳仲華1992年去世時,美國機械工程師學會在新聞中羅列了采用其理論設計的一系列先進航空發動機,稱他為“葉輪機械先鋒”。
“這個理論完美結合了豐富的想象力、清晰的物理概念、嚴格的數學演繹和方便的工程應用,體現了工程科學之美。”吳仲華的學生和多年的助手、中國科學院院士徐建中告訴《中國科學報》,三元流動理論至今經久不衰、應用廣泛,三峽水利樞紐工程水輪機的設計也應用了該理論。

創立學科 利在千秋
輝煌的學術成就卻留不住吳仲華的心。
1950年11月28日,吳仲華高大的身影出現在紐約街頭。他專程前來,為的是到聯合國安理會聆聽中國代表伍修權控訴美國在朝鮮戰爭中侵略中國臺灣的發言。
義憤填膺的吳仲華夫婦先后辭去NACA的工作,并到大學教書。當時,夫妻二人是極少數能為美國軍方工作的外國人之一,他們多次嘗試離美都未成功,還被勸說入籍。直到1954年8月1日,一個星期日,趁著紐約機場移民局休息的機會,吳仲華全家以旅游為名,繞道歐洲,終于在年底輾轉回到北京。后來,這對伉儷先后當選為中國科學院院士。
歸國后的吳仲華如魚得水、意氣風發,1956年,他在母校清華大學創建了我國第一個燃氣輪機專業。那時,清華航空系已劃分到北京航空學院,他與籌建小組想方設法廣攬人才、組建教研組,攻堅克難地建設實驗室。后來活躍在我國燃氣輪機領域的很多技術骨干都是吳仲華的學生。
1957年,蘇聯發射人類第一顆人造衛星。1961年,人類第一位宇航員加加林進入太空……吳仲華和任新民、梁守磐、史紹熙等老一代科學家認識到航空發動機和航天推進動力裝置的重要性。1963年,吳仲華牽頭提出創立工程熱物理學科,將工程熱力學、氣動熱力學、傳熱傳質學和燃燒學幾門“古老”學科緊密結合起來,建立了一門嶄新的學科——工程熱物理學。他同時提出在中國科學院設立工程熱物理研究所,直到1980年,這一設想終于成真,吳仲華擔任首任所長。
經過半個多世紀的發展,工程熱物理學在航空航天推進、能源高效清潔利用、新能源開發、環境保護等領域發揮著越來越重要的作用。

責任所在 拼命為之
“中國人搞出的理論,首先要為中國人服務!”
這是吳仲華一生的理想與抱負,亦是他回國之后的行動指南。
燃氣輪機系國之重器,是衡量一個國家工業水平和科技能力的標志之一。吳仲華最大的理想,是在中國獨立自主發展航空發動機和燃氣輪機。徐建中回憶,當時全世界都在開展兩機研制,吳仲華心急如焚。
但事與愿違,由于種種原因,中國并未走上自主研發的道路。1975年,中國引進斯貝發動機。但當時的中國,“造反派”橫行,仿制工作完全停滯。1977年,粉碎“四人幫”后,王震副總理接管此事,他寫信給吳仲華,希望由中國科學院派出技術力量,完成斯貝發動機的改進工作。
就這樣,吳仲華帶著12人去了西安,后留下10人,又派兩人去英國羅羅公司學習,研究斯貝發動機。考慮到航空發動機技術難度大,應用要求高,吳仲華提出發展工業用燃氣輪機和艦用發動機的思路。1983年,這項工作圓滿完成,后獲中國科學院技術進步獎一等獎。
對于改進斯貝發動機,徐建中回憶,吳仲華投入了極大的熱情!皡窍壬嬖V我,這一步一定要走。”
1982年,吳仲華敢為人先,聯合西安航天發動機廠組建了中華燃氣輪研究與開發公司,在歷史中扮演了改革者的角色。
整個上世紀80年代,吳仲華以“責任所在,拼命為之”為座右銘,全身心投入燃氣輪機的科研和推廣中。一位原國家計委領導曾評價:引進斯貝發動機雖然不是吳先生建議的,但后來他到處促進其應用,則完全是從國家利益出發。

老驥伏櫪 福澤后世
“絕江者托于船,致遠者托于驥!”2017年,吳仲華誕辰百年紀念,中國科學院院長白春禮用“船驥之托”比喻吳仲華托起國家民族大業的賢能。
“能的梯級利用與總能系統”是吳仲華另一個被廣泛認可的理論遺產,現已成為能源科學發展的主流思想,被寫入國家能源規劃。
改革開放以后,我國進入經濟高速發展時代,但此時能源供應尚不緊張。作為一位戰略科學家,吳仲華敏銳地指出:能源是中國現代化的戰略重點。1980年,他在黨中央書記處舉辦的科學技術知識講座上提出著名的“溫度對口、梯級利用”用能思想,后在《紅旗》轉載,成為縣團級干部必讀教材。
1990年,73歲的吳仲華應邀赴美國講學4個月,由美國宇航局錄像,出版專著,作為其培訓教材。
1992年,在與病魔斗爭的最后歲月里,吳仲華還在病床上工作,同李敏華一起向有關領導提交“在我國發展IGCC潔凈煤發電技術的建議”。
這對伉儷是清華大學同級同學,一個彈鋼琴,一個拉小提琴,并逐漸產生了愛慕之情。兩人相互扶持,攻讀博士期間,他們接連有了兩個兒子。李敏華成為MIT第一位工科女博士,此事登上波士頓當地報紙,轟動一時。
回首1943年,作為一位懷揣工業救國夢的年輕人,來自農業大國的他最心儀的專業是農業機械,陰差陽錯,想開拖拉機的他卻走上了一條“開飛機”的道路。但是回顧吳仲華的一生,一分一秒都未曾偏離“科技報國”的初心。
去世前,他叮囑去看望他的學生:“好好干,把三元流動理論搞下去!焙髞硭麕缀跽f不出話了,有人來看望時,便看著一生琴瑟和諧的伴侶李敏華說,“我想說的她都知道!痹趫龅娜硕济靼,吳仲華心底的那句話一定是:中國人搞出的理論,一定要為中國人民服務。
2016年,我國啟動航空發動機和燃氣輪機重大專項。雖然吳仲華沒能看到這一天,但他的弟子們定會續寫歷史。

人物生平
●1917年7月27日,出生于上海一個普通的知識分子家庭。
●1935年,考入清華大學機械系。
●1943年,與清華大學同學李敏華結成伉儷,一起考取公費留美生赴美國麻省理工學院攻讀博士學位。
●1947年,取得科學博士后,進入美國國家航空咨詢委員會劉易斯飛行動力實驗室工作。
●1950年,發表一系列論文,創立了國際公認的葉輪機械三元流動理論。
●1954年,攜全家回國。
●1955年,到清華大學動力系任教,第二年創建全國第一個燃氣輪機專業。
●1957年,當選為中國科學院學部委員,倡議建立工程熱物理學科,并獲新中國第一次頒發的中國科學院科學獎金(現國家自然科學獎)二等獎。
●1958年,任中國科學技術大學物理熱工系首任主任,創建工程熱物理專業。
●1978年,任國家科委工程熱物理學科組組長,領導制訂全國工程熱物理學科發展規劃。
●1980年,任中國科學院工程熱物理研究所首任所長。
●1982年,再次獲國家自然科學獎二等獎。
●1981-1992年,當選為中國科學院主席團執行主席。
●1992年9月19日,在北京逝世,享年76歲。

▲1958年,毛澤東主席視察動力研究室的科研設備。

▲1980年,時任國務院副總理方毅(右)與吳仲華親切交談。

▲1984年,吳仲華(右三)帶隊訪問英國北海油田。

▲1980年,吳仲華給中央書記處作報告。

記者手記
沒有造出航空發動機,不僅僅是吳仲華的遺憾,也是全中國的遺憾。
燃氣輪機被譽為“國之重器”,中國卻由于歷史原因,屢屢錯失自主研發的機會。
中國科學院院士徐建中告訴記者,上世紀中期,當時世界上的幾個大國,英國、美國、蘇聯都走上了自主發展燃氣輪機的道路,而中國卻因為戰爭、建國后接受蘇聯援助而跟著仿制、“兩彈一星”后沒有適時轉向航空等原因,直到今天依然不能完全獨立制造。
最希望看見國產航空發動機的人,非吳仲華莫屬,他的理論加速了全世界航空發動機性能提升的進程。多位曾陪同吳仲華出國訪問的助手都不約而同地提到,國際同行極其尊敬“大名鼎鼎的吳”,甚至連正在研發的飛機發動機都允許他參觀。
歸國后的吳仲華想必滿懷雄心壯志,但隨著“文革”到來,剛剛起步的航空發動機事業就此夭折!翱茖W的春天”到來之后,吳仲華也迎來了自己的春天——他的辦公桌上長期擺放著周總理接見他的照片。據稱,王震副總理待他為上賓,見他騎自行車上下班,還曾從三機部給他安排了專車,但是,書生意氣的吳仲華并沒有利用這層關系開展工作。身邊人對吳仲華性格的評價多是“愛憎分明”“不擅長搞關系”。
上世紀80年代初,吳仲華主持的英國斯貝發動機改進工作進展順利,但相關配套進展緩慢。吳仲華勇敢地組建公司,嘗試將科研與生產相結合。沒想到,在這個節骨眼上,有關部門引進了英國的同類型燃氣輪機。徐建中回憶,吳仲華知道后“火冒三丈、堅決反對,由此得罪了很多人”。
1990年秋,做完肝癌手術不久的吳仲華和夫人李敏華一起去新疆參加研討會。一行人先是飛抵烏魯木齊,后到喀什,再坐汽車連夜穿越塔克拉瑪干沙漠。當時新疆油田燃氣輪機出現不少問題,有人產生懷疑。吳仲華當年反對進口燃氣輪機一事曾轟動一時,但他絕口不提,反而以“盆底理論”鼓勵大家:“見到盆底,高潮就不遠了!北M顯大家風范。
最令吳仲華欣慰的是,桃李滿天下的他,學術精神和思想仍在不斷延續和傳承。
在清華大學任教期間,教研組培養出一大批燃氣輪機科技骨干,其中有6位兩院院士,十多位國家、省部級領導干部,幾十位大型企業總經理與總工程師……
吳仲華的早期學生和后期助手林汝謀回憶,吳仲華要辦的是研究型專業,特別重視基礎課;專業課則強調理論聯系實際,注重創新性和前瞻性,還要求高年級學生真刀真槍地參加科研工作。
1958年,中國科學技術大學成立,吳仲華兼任物理熱工系主任。他當時提出,科大學生基礎很好,因此要采用美國麻省理工學院的標準。即使在后來的政治氣候下,吳仲華仍然堅持用國際標準要求學生,用麻省理工學院的考題考試。他曾對徐建中說:“我發表的論文至今沒人發現錯誤,你也要這樣!
遲到總比不到好。隨著我國啟動實施航空發動機和燃氣輪機重大專項,能否解決“航空心臟病”的問題,還看今朝。

《中國科學報》 (2019-12-06 第4版 人物)
原題:吳仲華:船驥托起一片天

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