林鴻蓀
林鴻蓀
林鴻蓀,力學家,化學流體力學專家。在創建中國科學院數學研究所力學研究室及後來的力學研究所的過程中做了大量工作,為創立新的力學學科——化學流體力學作出貢獻。60年代在研究液氫液氧火箭發動機總體方案、燃燒、傳熱、低溫技術和地面試車技術,以及在組織領導研製低空導彈技術等方面,取得重要進展。為後來的發展打下重要基礎,也為國家培養了一批優秀的力學人才。
1943-1945年 印度加爾各答大學化學系學習。
1947年 畢業於美國Delaware大學化工系。
1949年 在美國布朗大學獲數學碩士學位。
1950-1955年 任中國科學院數學研究所力學研究室助理研究員,研究室室務秘書。
1956-1968年 任中國科學院力學研究所副研究員。
1956-1958年 任力學研究所化學流體力學研究組組長。
1958-1959年 任力學研究所學術秘書,134辦公室負責人。
1960-1963年 任力學研究所二部第十三研究室副主任。
1964-1968年 任力學研究所分部副主任。
1968年3月 國防科委第十七研究院直屬分隊副研究員。
1968年12月15日 逝世於北京。
林鴻蓀,出生於天津,他的父親是一位有愛國思想的銀行家,抗日戰爭初期任天津中國銀行副行長,后被派往印度,任印度中國銀行行長。天津日本侵略軍曾企圖把中國銀行所存的一批白銀搜括走,他父親利用英日之間的矛盾與日軍進行周旋,保護了民族財產。在這種環境影響下,培育了林鴻蓀抗日愛國、追求光明的思想。當日本侵駐天津的勢力日益猖獗的時候,林鴻蓀和他的姐姐、弟弟由父親安排先一步離開天津來到上海,並進入上海南洋模範中學求學。林鴻蓀聰穎好學,學習成績名列前茅,且愛好文學、音樂和翻譯,他接近進步團體,積極參加其活動。
1943年春,林鴻蓀還未讀完高中三年級,就離開上海隨父親去印度,考上加爾各答大學化學系學習。又於1945年春轉赴美國Delaware大學化工系學習,1947年秋以優異成績畢業,獲工科學士學位和α-β-κ獎。1947年秋轉到布朗大學學習應用數學,並獲得該校獎學金。1949年秋以優異成績獲碩士學位,並緊接著攻讀博士學位。林鴻蓀在美國求學期間一直關心著祖國的解放事業,積極參加留美進步學生組織的各種活動,如1948年參加了“北美基督教學生聯合會(CSCA)”,1949年參加留美科協領導的讀書會。在這些組織的活動中,林鴻蓀思想十分活躍,使他有機會與不少思想進步的留美學生交往相處,接觸到不少革命理論書籍,這對他後來投身革命事業有很大影響。
1950年夏天,正當林鴻蓀埋頭緊張地撰寫博士論文的時候,朝鮮戰爭爆發了,林鴻蓀再也無心繼續鑽研數學,他毅然放棄了不久即可獲得博士學位的機會,日夜兼程回到祖國,正好趕上參加1950年的國慶觀禮,不久就投入祖國的科學事業。當年冬天,經組織安排,林鴻蓀來到中國科學院數學研究所工作。同年和在美國一起參加進步留美學生活動的楊友鸞結婚。
在數學研究所,林鴻蓀和胡海昌等積極協助錢偉長籌建力學研究室。這是我國第一個力學研究機構。它於1951年成立時,錢偉長任研究室主任,林鴻蓀任室務秘書,承擔了研究室大量日常事務工作。力學研究室是一個學術思想非常活躍的研究集體,林鴻蓀一方面積極參加錢偉長組織的“圓薄板大撓度問題”討論班等活動,又積極開展塑性力學和流體力學的研究、教學工作。1953年開始,他在北京大學數學力學系講授流體力學課,指導學生的畢業論文。1955年11月,錢學森和錢偉長籌建力學研究所,林鴻蓀積極主動承擔了許多具體工作。在他的組織下,當年12月就把力學研究室從清華園搬遷到中關村化學所大樓辦公,為建所準備各種物質條件。
1956年1月,力學研究所正式成立,林鴻蓀被分配到塑性力學研究組工作,同時受錢學森的委託開闢一個新學科——化學流體力學的研究方向。
1956年秋,力學所正式建立化學流體力學研究組,林鴻蓀任組長,從此開始了艱難的創業歷程。1957年招收了研究生。經過短短兩年的努力,到1958年秋已相繼開闢了四五個研究課題,並和化工冶金所、大連化學物理所、化工部、石油部、冶金部等單位建立了協作關係,在中國科技大學設立了相應專業。
林鴻蓀十分熱心於科學普及工作,經常為《科學畫報》等刊物寫稿。1957年夏,在搜集整理了國外大量資料的基礎上,寫出一篇關於人造衛星運行原理的文章,引起很多人的注目。不久(1957年10月4日),全世界第一顆人造衛星上了天,全球轟動,從此許多單位來向林鴻蓀請教,請他去作報告。林鴻蓀總是想法在繁忙的工作中擠出時間到各部門做報告、解答問題,盡量滿足群眾的要求,這件事給人們留下了極其深刻的印象。
1958年“大躍進”開始以後,林鴻蓀的工作更加繁忙。1958年9月,他兼任了力學研究所學術秘書,協助錢學森、郭永懷處理日常業務工作。10月,力學研究所的機構和體制進行了大調整,把主力轉向火箭和航天技術研究。當時成立了兩個大機構,即負責衛星和運載火箭設計的“上海機電設計院”、研究探索高能推進劑組合與火箭發動機地面試驗的“懷柔試驗基地”;還建立了一個協調京滬兩處工作的辦事機構——134辦公室。林鴻蓀既是“懷柔試驗基地”的業務負責人,又是134辦公室的負責人之一,擔子很重。這時正逢國家三年困難時期,也是林鴻蓀一生中最繁忙、最艱苦但卻是他的情緒最高昂的時期。1960年11月,林鴻蓀加入了中國共產黨,終於實現了他多年來所追求的夙願。
1960年11月,林鴻蓀被任命為力學研究所第十三研究室副主任。這個時期,林鴻蓀的主要工作是在錢學森的直接領導下,掌握火箭發動機試車技術、液氫液氧火箭發動機的預研以及對發動機中的燃燒問題、傳熱問題進行理論與實驗研究。1964年1月,成立中國科學院力學所懷柔分部,林鴻蓀擔任負責業務工作的副主任。
1965年7月,中國科學院接受了中央專委下達的研製超低空的地對空導彈任務,為此,中國科學院組織全院27個單位共同協作攻關,並建立了領導小組和總設計師組。力學所為總體設計單位,郭永懷為總設計師組組長,林鴻蓀、屠善澄為副組長。實際上,當時郭永懷的主要精力在核武器研究院,總設計師的實際責任是由林鴻蓀負責。在中國科學院、力學所領導的支持下,他情緒高昂,極其緊張但有秩序地帶動全室協調地工作。在全院各參戰單位共同努力下,前後只用了1年零3個月時間,就進行了兩次試驗彈的發射試驗、兩次飛行試驗,取得了重要進展,積累了豐富的經驗和資料,也為國家培養、鍛鍊出一支能打硬仗的科技隊伍。林鴻蓀為此付出巨大的勞動和血汗,為國家作出重要貢獻。
“文化大革命”開始后,超低空導彈研製工作被迫停頓。不久,林鴻蓀因莫須有的罪名被“隔離審查”,並受到人身侮辱和精神上的嚴重摺磨,終於在1968年12月15日含冤而死。科技界和熟悉林鴻蓀的人們都為此而震驚,為我們國家失去這樣一位年輕有為、才華出眾、忠於人民的科學家而惋惜。
錢學森認為,一般化工反應器中的反應過程大多是低速反應。而從力學角度看,像火箭發動機則是一種高強度的化工反應器。如能將流體力學方法用於研究化工、冶金等過程,將會大幅度提高生產效率。如能將衝擊波巧妙地應用於化工反應將會出現超高速反應。這就是錢學森創建化學流體力學的基本思路。林鴻蓀是應用數學專家,化學、化工和流體力學的基礎又很紮實,加上他的思維敏銳、富有開拓精神,在力學所,創建化學流體力學這一高難度任務就很自然地落到他的肩上。自從林鴻蓀受託開闢化學流體力學的任務后,迅即投入查閱文獻和調查研究的緊張工作之中,他只用了短短半年時間,就提出若干個緊密聯繫實際的研究方向,包括固定床、固體流態化、衝壓發動機中的穩定燃燒問題、轉爐頂吹氧氣鍊鋼中流體力學問題等,其中又把化工、冶金工業中有廣泛應用前景的固體流態化作為近期主攻方向。
為了使研究工作既能密切聯繫實際,又能與產業部門研究機構有明確的分工,他親自帶領組裡年輕人深入到工業部門調查,同時也非常重視對國內外有關文獻資料的搜集,並組織全組作了詳盡的研究和總結。
與化工冶金研究所是合作關係最好的單位。林鴻蓀與郭慕蓀經常交流固體流態化方面科技信息,兩所共同舉辦了“固體流態化”專題討論班,雙方作了明確的分工:力學所以流態化機理研究為主,化工冶金所則側重實際冶金過程的應用研究。根據兩家分工,林鴻蓀對流態化實驗室的建設抓得很緊,1958年夏,在力學研究所新大樓剛剛建成還不到半年時間,流態化實驗室就已初具規模,並進行了試運行。
為了能以較快速度建立起一支從事化學流體力學研究的高水平的科研隊伍,經林鴻蓀的努力,力學所首批招收研究生時就錄取了兩名化學流體力學專業的學生,同時籌劃在中國科技大學力學系建立相應的專業。到1958年秋,化學流體力學研究組的力量有了很大增長,已從兩年前的3人發展到10人,已經提出的幾個方向都已有人著手開展工作,取得一定進展。
1958年10月,力學所貫徹以任務帶學科的方針,對研究體制進行了大調整,所有以學科為主線建立起來的研究被撤消,化學流體力學研究組也不例外。雖然化學流體力學創建的歷史還很短,但林鴻蓀對它已經產生了極其濃厚的興趣,並不會因為研究機構撤消而停止研究。特別是對人才的培養從未放鬆過。他在中國科技大學的教學工作一直按原定計劃進行,風雨無阻,擠時間備課,自編講義,非常認真。從中國科技大學第一屆化學流體專業的學生開始上課直至“文化大革命”,林鴻蓀不管工作多麼繁忙,每學年都要親自指導幾名學生的畢業論文。這些學生畢業后大部份被分回到力學所工作,後來都成為業務骨幹。
為發展我國航天事業,林鴻蓀服從研究所的總體安排,從1960年秋起,將主要精力投入到液氫液氧火箭發動機的研究工作中去。他對其中的燃燒問題特別重視,始終不忘與開闢化學流體力學的工作相聯繫。他認為,燃燒理論是化學流體力學學科中的一個十分重要的方向。通過幾年來實際任務的推動和林鴻蓀的努力,火箭發動機中的燃燒理論研究取得重要進展。1964年3月,在大連由國防科委主持召開的“火箭發動機燃燒與燒蝕專題學術討論會”上,林鴻蓀作了學術報告。這篇論文比較系統地闡述了林鴻蓀關於燃燒理論的基本思路。林鴻蓀就是這樣在肩挑繁重的國防尖端研究任務與科研組織管理工作之同時,抓緊一切時間,以“任務帶學科”對化學流體力學理論進行深入系統的鑽研,力爭有新的突破。他已和科學出版社簽訂了出版一部化學流體力學專著的計劃,書稿裝了滿滿一箱即將脫稿。林鴻蓀的妻子楊友鸞最清楚,這一箱書稿是林鴻蓀的“命根子”,比任何東西都要寶貴,因為裡面凝結著林鴻蓀無數個日日夜夜的心血啊!可是就在書稿快要交給出版社的時候,林鴻蓀在文革清隊時被“隔離審查”了。他的妻子把那個裝滿書稿的“小箱”像無價之寶一樣加以保管,一直到她要去幹校勞動前夕,她深感下農場時自己帶在身邊並不安全,才不得不將“小箱”主動送交給當時的革委會和工宣隊,委託他們代為妥善保管。殊不知,在那“讀書無用論”籠罩著中國大地的日子裡,那時的掌權者當中還有多少人會把這箱“紙”看在眼裡呢?當然出版社的計劃也早已落空。林鴻蓀得到平反昭雪后,他的親朋好友提出要尋找書稿時,早已不知去向。
林鴻蓀那本反映他理論研究成果和水平、但未出版的專著雖然沒能和世人見面,但他為開創化學流體力學所作的貢獻是不可抹殺的,將載入我國力學發展的史冊。
液氫液氧火箭發動機作為航天運載工具有著它獨特的優點:能量高,比沖值可達420s以上,有利於大幅度提高有效載荷;無毒,來源豐富。在60年代初,當時全世界還只有美國剛研製成功。在沒有掌握任何資料的條件下,力學研究所第十三研究室(后改為懷柔分部)在錢學森的直接領導下,由林鴻蓀負責組織全室人員在國內率先開展了液氫液氧火箭發動機的預研工作,歷時六七年。
在六七年時間裡,由於各種原因,研究任務曾有多次變動,給研究工作帶來很多困難,但林鴻蓀和參與工作的全體人員鍥而不捨,仍然堅持下去,終於獲得了重要成果,為我國航天事業趕超世界水平作出貢獻。
林鴻蓀領導有關人員進行了15t推力和100t推力液氫液氧火箭發動機的總體性能研究,提出研究報告。對推力室的工作特點進行了深入的分析研究后認為,液氫作為冷卻介質與一般液體推進劑有很大區別,在詳細計算了氫在臨界狀態下的熱物性數據及變化曲線后,說明氫的密度不斷有變化,從而提出氫介質在再生冷卻通道中為變截面管的設計方案。經過分析研究后確定,液氫經過冷卻夾套然後進入推力室時是氣體狀態,氧在進入推力室時是液態,因而提出環形噴注器的優化方案。
關於液氫液氧火箭推力室的燃燒過程,林鴻蓀等人提出了液氧液滴蒸發是燃燒速率控制級的燃燒模型,它能比較準確地描述氫氧火箭燃燒室的工作過程,並進行了大量計算與分析,為燃燒室設計提供了重要依據。林鴻蓀還以重點課題深入研究了燃燒振蕩問題,從理論上指出解決不穩定燃燒問題的途徑,引起理論界和發動機設計部門的很大興趣和重視。
林鴻蓀還組織有關人員開展了液氫、液氧在超臨界壓力下湍流換熱規律的研究,提出了換熱模型。與此同時,建立了液氧在超臨界壓力下傳熱實驗系統,準備下一步為傳熱設計和冷卻夾套阻力計算提供有用數據。
在1960年至1964年四年多時間裡,林鴻蓀為實驗室的建設和掌握實驗技術,在荒郊野外,經過無數的艱難困苦,相繼建立了硝酸-苯胺火箭燃燒室試車台、氣氫-液氧火箭燃燒室試車台、液氫-液氧火箭燃燒室試車台和傳熱實驗室,取得大量有價值的實驗數據。在硝酸-苯胺燃燒室試驗技術及測量技術方面取得重要成果,計劃進一步開展燃燒振蕩實驗研究。多次進行以氣氫和液氧為燃料、推力為200kg的燃燒室性能試驗,其中最長一次正常運行時間達400多秒之久;取得一批燃燒室性能數據,與理論計算結果十分吻合,是設計推力室時十分寶貴的資料;同時,解決了點火起動、噴注器設計、壓力調節、混合比控制、測試技術……等一系列技術問題。1964年11月24日,在林鴻蓀指揮下,我國第一次正式以液氫和液氧為推進劑、推力為500kg的火箭發動機地面試車一次點火試驗成功,試車時間超過20s,它標誌著這種高能火箭發動機研製進程中一次重大的技術突破,尤其是有關低溫技術的掌握,也是液態氫從實驗室少量使用轉到大量工業化應用過程的一次突破。
上述成果的獲得為我國研製用於航天運載工具中的第三級發動機(以液氫液氧為推進劑)邁開了第一步,奠定了重要基礎。
正因為有了60年代的這些成果,終於在70年代初有可能正式設計研製液氫液氧火箭發動機。1984年4月,這種發動機第一次用於《長征3號》運載火箭,我國首次實驗同步通信衛星發射試驗取得成功,從此我國開始躋身於世界航天大國之列,為國家爭了光。所有尊重歷史的人們都會記住林鴻蓀和他的同事們為此所付出的辛勤勞動和血汗,讚美他們為國家所作出的重要貢獻。
在中國科學院的軍工史上,曾經有過一曲二十幾個單位團結協作研製導彈的頌歌——“541”任務,它使曾經參與過這項任務的同志們終生難忘。
1965年秋開始,中國科學院二十幾個單位、1000多名同志在院領導的統一組織領導下,緊密協作、拼搏戰鬥,研製超低空地空小型導彈(代號“541”任務),只用了一年零三個月的時間就完成了試驗彈的研製並進行了兩次發射試驗和兩次飛行試驗,取得了重大進展。這些成果後來我國研製成功同類型的地空導彈提供了重要條件。後來科學院的很多科技人員都常常用“541”速度來形容工作進展之高速度。林鴻蓀作為總設計師組副組長、總體設計單位(力學所分部)的技術負責人為此任務付出高強度的勞動,作出特殊的貢獻。
1965年春,根據中央專委和中國科學院的要求,要以兩年左右時間研製出一種能被戰士肩扛的超低空導彈。這種導彈類似於當時美國研製的“紅眼睛”(Red Eye)超小型地空導彈,美國用了近十年時間研製成功。那時科技人員能找到的資料僅有一張照片,困難之大可想而知。林鴻蓀首先和大家一起對這種導彈的作戰使用要求和戰術技術性能指標進行了深入論證和詳細分析,列出了必須解決的關鍵問題。重量要輕,推進劑比衝要高,導彈一出筒就要咬住目標跟蹤追擊,要保證戰士的安全,要有高效率的戰鬥部……等等。中國科學院把該項任務作為當年全院第一號任務,並於1965年7月成立了領導小組、總設計師組和“541”辦公室,以做好領導與協調工作,郭永懷被任命為總設計師組組長,林鴻蓀、屠善澄和顧以健被任命為總設計師組副組長。力學研究所分部負責彈體總體設計,發動機和發射系統研製,空氣動力及結構強度的分析和試驗,林鴻蓀是分部副主任,技術總負責。從此,林鴻蓀開始投入了一場“短兵相接”的激戰,為了“541”,他不知度過了多少個不眠之夜。
林鴻蓀和屠善澄、顧以健等總設計師組成員一起,通過對照片的研究分析、推算、模擬試驗的反設計,很快提出了總體和各分系統的技術途徑、設計方案及研製任務書,並在科學院的統一領導下按照全國、全院大協作的精神,全面展開了導彈的研製工作。
林鴻蓀深知自己身上的重擔。力學所懷柔分部實際上是“541”任務的總體部,又是兩個十分重要部件(發動機和發射系統)的研究單位。林鴻蓀是分部技術總負責兼副總設計師。在林鴻蓀的主持下,不到一個月的時間就完成了試驗彈總體設計方案,完成了發動機和發射系統的設計圖紙資料,提交總設計師會議討論后付諸實施。工作中林鴻蓀緊密依靠群眾、依靠組織,集思廣益、群策群力。
整個研製工作過程像一次團結協作的大合唱,林鴻蓀就是合唱隊的指揮。由於任務分散在二十幾個單位干,常常是一個艙段甚至一個大部件都是由幾個單位共同完成,這就要求相互間配合默契、緊密合作,更重要的是有一個有效的協調和調度機構,有一名稱職的總指揮。經過短短三個多月的努力,發動機地面試驗進行了300多次,達到了預定設計要求,其它分系統和各項工作也都按時或提前完成。林鴻蓀還組織分部有關科技人員用了40天時間就在懷柔建立了一個達到相當水平的小型導彈發射試驗場。1965年12月~1966 年1月,在林鴻蓀指揮下在懷柔試驗發射場進行了多發試驗彈的發射試驗,得到了重要試驗資料,1966年3月至4月又在國家靶場進行了飛行試驗。這兩次試驗,全面檢驗了試驗設計方案,取得重大進展。根據試驗結果作了一些改進后又進行了一次發射試驗和一次飛行試驗,從而為進一步設計提供了重要依據。通過這一段工作,肯定了發動機、發射裝置以及氣動力、結構設計方案的可行性,下一步重點將轉向制導方案的改進上去。
在這一段非同尋常的日子裡,林鴻蓀為“541”任務嘔心瀝血、日夜操勞,為任務的順利推進付出辛勤的勞動,同時也充分表現出他博學多才的創造力與善於協調的凝聚力。他對研製過程中的每一個比較重要的問題都是親自過問或親臨第一線指揮,不放過一個細小的疑點、漏洞,嚴格把關。通過短短几個月的時間,在林鴻蓀、屠善澄和顧以健等的主持下,在5個技術問題方面有了重要突破。
1.選定了一種高比沖而又比較成熟的固體推進劑,經數百次熱試車證明工藝可靠,性能參數完全達到設計指標;
2.解決了發動機殼體加工的一系列技術難關(包括輕質高強度合金鋼薄板的焊接工藝、噴管防熱設計、發動機內壁防熱方案及工藝等),保證了工作可靠性並達到預定的較輕的重要指標要求;
3.氣動力理論分析與飛行試驗實測數據相當一致,為彈道計算與精確可靠制導方案的確定提供了十分重要的依據;
4.超小型紅外導引頭初步研製成功填補了國內空白;
5.發射系統設計和二次發射方案已達到預定要求。
“541”任務雖然因“文化大革命”的衝擊而中途停下來,但是這些重要研究成果都為後來的工作打下堅實基礎,有關資料都轉給有關部門並為以後研製成功同類的低空導彈提供了基礎。因此人們都不會忘記60年代中期在中國科學院二十幾個單位聯合作戰的戰績,不會忘記“541”精神的含義,更不會忘記林鴻蓀、屠善澄、顧以健和其他參與這一工作的同志們所做的重要貢獻。
林鴻蓀是一位博學多識、才華橫溢的科學家,他對新事物極其敏感,富於開拓精神,他論述問題條理分明、有很強的說服力,凡是聽過他講課或報告的人都留下深刻的印象。但在他的品質中最使人感動的是對祖國無比熱愛、甘當無名英雄、無私奉獻的精神。在1959年紀念“五四”青年節的一次座談會上,林鴻蓀講了一段感人肺腑的話,給與會者留下深刻的印象。他說:“全國解放后,青年人不再有機會在硝煙迷漫的戰場上經受考驗,但是在和平環境中同樣存在著考驗。比如在科研戰線,一些開拓性工作、社會工作、科技管理工作都要求有同志去參與,他們一時甚至永遠出不了成果,是科研戰線上的無名英雄,可是這些工作都是不可缺少的。我們紀念五四青年節,要學習革命前輩的愛國精神,善於擺正個人與集體的關係。”林鴻蓀不僅這樣講,而且在實際行動中也是這樣去做的。50年代初,林鴻蓀回國后就一直在錢偉長領導下,從事固體力學方面的理論研究工作,由於他有深厚的數學基礎,不久就發表了若干研究論文。如果能繼續努力下去,必將會培育出豐碩的成果。但不久,力學所成立后,錢學森要求他開闢化學流體力學新學科,這是整個科學事業發展的需要,他就毫不猶豫地投身於開拓新領域的事業中去。
1 林鴻蓀。具復連通截面柱體的扭轉問題的變分解法。物理學報,1953,9(2):221~237.
2 林鴻蓀。片流邊界層中氣流及熱轉移。物理學報,1954,10(1):71 ~88.
3 林鴻蓀。軸對稱塑性變形問題。物理學報,1954,10(2):89~104.
4 錢偉長,林鴻蓀,胡海昌,葉開源。彈性圓薄板大撓度問題。北京:科學出版社,1954.
6 錢偉長,林鴻蓀,胡海昌,葉開源。彈性柱體的扭轉理論。北京:科學出版社,1956年.
7 林鴻蓀。任意橫向載荷下彈性圓形及圓環形薄板的彎曲。物理學報,1956,12(4):360~372.
8 林鴻蓀。產生熱的多孔介質中的吹氣冷卻問題。第一次全國力學學術報告會,1997年2月.
9 林鴻蓀。固體流化的幾個基本問題。第一次全國力學學術報告會,1997年2月.
10 洛強斯基著。林鴻蓀等譯。液體與氣體力學(上、下冊).北京:高等教育出版社。1958~1959年.
11 林鴻蓀。火箭發動機燃燒室高頻燃燒振蕩燃燒。中國科學院力學研究所內部資料。1962年.