清华大学校史馆 金富军 王向田
1932年起，清华大学为适应中国航空建设需要，开始发展航空教育与研究。1936年，在国内首次建成5英尺航空风洞，并设计建造当时远东最大的15英尺航空风洞，由于抗战全面爆发，15英尺航空风洞建成前夕被毁。这些成果，为抗战期间以及抗战胜利以后中国航空事业发展，奠定了重要基础。
1 加强国防研究
在抗日战争敌我航空势力严重悬殊的危难形势下，清华大学等国内高校开始航空教育及研究。
1931年“九一八”事变与1932年“一二八”事变，侵华日军挟空中优势狂轰滥炸，给中国军队造成极大伤亡。“一二八倭寇的飞机驰骋于上海，如入无人之境，闸北犹在无空防的情形下，变成了瓦砾之场。”[l]
日益严重的军事形势引起全国人民极大关注，从舆论界到学术界，从社会到政府，“航空救国”成为当时震撼全国的呼声。国民政府痛定思痛，开始积极加强空防，推进空军建设。1932年12月，在国民党召开的第四届第三次中央全会第一次会议上，张惠长等9名委员提出发展航空，巩固国防的议案。第二次会议上，又有苗赔成、纪亮提出建设专厂、自造飞机，扩充空军，巩固国防的议案[2] 。1933年元旦以“提倡国民航空事业，研究发展航空技术”为宗旨的中华航空救国会(后更名为中国航空协会)在上海成立。当时的上海市长吴铁城、财政部长孔祥熙等七人任常务理事。宣称要“集合全国民众力量，辅助政府，努力航空事业”[3]。
1933年，国民政府航空委员会技术处处长钱昌祚提出，航空“工程师之训练，宜于工科大学设立航空工程学系，即军官出身者，亦可送至大学训练，可利用工科大学之普通工程设备，得有良好之基础。”1934年航空委员会在召开的航空技术会议上，决定协助各大学设立航空工程系[4]。
正是在这样的背景下，清华大学开始航空教育与研究。
2 成立机械系航空工程组
1932年夏，清华机械工程学系成立，下设三个组：原动力工程组、机械制造工程组、飞机及汽车工程组。其中，飞机及汽车工程组“注重飞机及汽车之制造，于发动机之装卸，试验及比较等，均施于充分之训练。将来须与政府航空机关或学校合作。然后于学理制造，及航空实验，均有充分之训练。”[5]
清华的航空研究与教学，一开始即有着明确的目标与抱负，即：学术机关应该负起重大责任，参与并推动航空等与国防有关的学术研究工作[6]。
同时，国防设计委员会、航空委员会也联系清华实施发展航空教育。1933年下半年，钱昌照、翁文灏曾先后致函顾毓琇、梅贻琦、叶企孙，表示国防设计委员会拟在清华大学与武汉大学设立航空讲座，由国防设计委员会各补助一万元。武汉大学已经着手准备，询问清华能否在工学院设航空讲座。
1934年1月，梅贻琦致函国防设计委员会及翁文灏、钱昌照，信中表示：清华决定开办航空讲座教授。这样，清华开展航空教育又不仅仅是清华自己一家行为，而得到航空署与国防设计委员会的大力支持。
此时，飞机及汽车工程组改称为航空工程组，成为全国最早创办的航空工程专业之一不久，其他高校也陆续开始航空教育。
清华在开展航空教育与研究同时，也开始选派航空方面庚款留学生。1933年，清华开始选第一届清华留美公费生，其中林同骅专学飞机结构，顾光复专学飞机发动机方面。1934年考选第二届留美公费生，强调要选取“国内不能研究训练者”及“适应国内迫急需要者”等，决定工学类招收航空（发动机及机架）2名。其中钱学森专学空气动力学，在国内培训一年，由王士倬指导。1935年考选第三届留美公费生，其中钱学森专学飞机发动机方面。1936年考选第四届留美公费生，其中程嘉垕专学航空机械除钱学森转学加州理工大学跟随冯•卡门深造，读航空博士学位；其余均在麻省理工大学读学位后，回国服务。他们对于国内航空事业发展，均有重要贡献。
3 研究队伍及条件
1934年8月，清华开始在机械系筹备建立航空工程组。至1936年度，航空方面教授有庄前鼎、王士倬、李辑祥、冯桂连、殷文友，助教有张捷迁、戴中孚等，均为一时人选。
同时，清华积极延聘国外著名专家来校指导工作。1934年暑期前，清华函聘加州大学航空工程科冯•卡门教授来清华任教，并筹备设计风洞等事项。
冯•卡门教授对中国十分友好，对清华航空研究非常重视，推荐跟随自己近10年的华敦德来清华。华敦德是世界著名航空专家，长于风洞设计。他在清华工作了近2年，除教学外，协助清华建设当时远东最大15英尺风洞，参与制定国家航空研究计划、秘密训练空军等重要工作。抗战全面爆发后，华敦德被迫离华返美[7]。
1936年11月，清华大学成立南昌航空研究所，顾毓琇兼任所长，庄前鼎兼任副所长，教授有华敦德、冯桂连、秦大钧，林同骅为副教授，张捷迁、张听聪为助教。
航空组为扩大学术视野，追踪世界学术前沿，定购了中、英、德、日等杂志约60余种，一些重要机械工程杂志，则努力补齐旧刊。“为国内各大学航空工程书籍搜寻之最完备者。此外，世界各国航空杂志均已订定，有十余种。”
机械系大力购置实验设备，截止到1936年，计有约10余万元的设备。“机械工程馆，内部设备，包括蒸气机、汽轮机、柴油机、汽油机、煤气机、打水机、打风机、制冰机、压气机、机车及汽车等。凡热力工程之基础设备，已应有尽有，比之欧美各大学之机械实验室设备，实不相上下堪称国内最完备之实验室”[8]。
清华还向德国礼和洋行购置两座单翼教练机一架，引擎由德国西门子工厂制造，80 hp，时速为100 mile/h。清华又申请航空委员会拨给旧双翼飞机一架，机械系冯桂连教授设计自制德国标准的教练机式滑翔机一架。飞机以及发动机等，均供学生实习。
4 自制5英尺口径实验风洞
发展新兴学科，切入点非常重要。庄前鼎曾说，“当时我们感到各国航空事业的突飞猛进，都有赖于研究工作的辅助；而航空研究的中心工作当以气动力学部份最为重要，那就是利用航空风洞，试验飞机机翼机身的特性，供制造飞机的参考与改良，及采购时选择飞机的决定。”[9]因此，清华航空研究一开始即选定航空风洞为研究重点。
1934年春，王士倬教授设计自制了直流式及回流式两种风洞模型，实验结果“甚为圆满”，于是决定采用最新回流式风洞，直径最小口处1.67 m，最大口处约3.33 m，长16.67 m，用二分钢板制造。
5英尺风洞采用世界上普遍使用的普氏(Prandtl)风洞。共分19节，每节大小与功用都不相同，节间用橡皮及许多螺丝钉连接紧，不漏气，形成风洞循回气流通道。有支架多个，按图将每管节轴线都装在水平面上，使风洞坚牢不动。1935年秋冬两季，风洞全体外壳安装在新航空馆楼下。当时北京工业落后，用焊接制造方法于此种大规模工程，尚属首次。
风洞工程全部由清华航空工程组自行设计制造，王士倬主持，冯桂连、张捷迁协助。风洞钢板由王士倬、张捷迁在本校监造；自动平衡式天称5具，由冯桂连设计，在机械系工场制造；风洞其他部分，如风扇螺旋桨，都由清华自己设计。当时缺乏适宜木材，碰巧买到陈年胡桃木及花梨木，经特制烘木室烘干之后，叠层胶合，人工刨刮，制成直径7.5英尺的风洞螺旋桨。其他如电动机及长钢轴，国内不能制造，均订购自美国。1936年2月初运到校内之后，适逢华北局势日益恶化。为安全起见，这年冬天，清华将部分图书与仪器分两批运往汉口保藏。由于部分仪器的运出，实验风洞受到严重影响。
虽然时局动荡不安，清华仍坚持进行航空研究计划，经过航空组师生与工人日夜加工，克服了许多技术上困难，将风洞各部分安装完整，4月24日，第一次实验便告成功。
5英尺风洞风速每小时可达120 mile，雷诺数达5 500 000。当时世界著名风洞，雷诺数最高为英国伦敦高气压风洞，达83 000 000，次为美国兰雷飞行场风洞，达63 000 000。与清华风洞雷诺数相坪者有日本川西机械制作所风洞，为6 650 000。当时英、美、日三国国力非中国可比，且均从世界范围内搜罗人才，例如航空大师冯•卡门即从德国投向美国，日本风洞研究是在冯•卡门教授的得力助手埃立希•凯塞直接领导下从1927年即已开始，费时四五年，耗资数百万日元，建造东京大学10英尺航空风洞，奠定日本航空研究基础[10]。清华在困难条件下自主设计，一次即告成功，并能得到如此高的雷诺数，在中国航空史上有非常重要的意义[11]。
关于风洞最高风速及能量比率，因为用汽车马达代替直流电动机开动，当时没能测量出来。后来做了一系列实验，测定最高能比约为5.05，对比当时国际著名航空风洞，这个数字已经相当出色[12]。仅比加州理工大学5.50为低，高于法国、德国、英国、意大利、苏联和日本等国风洞[13]。
利用间接的可用球阻力试验测量风流扰动次数，结果为1%，与德国哥廷根2.2英尺风洞及美国加州理工10英尺风洞的测量结果，较为符合[14]。
4月29日，清华校庆日，航空组师生使用3台自动天称，能自动测量出飞机模型所受举力、阻力，和俯仰力矩。变更模型冲角，观察力量方面变化。
5月，中国工程师学会及各专门工程学会在杭州举行联合年会，清华5英尺试验风洞论文，被评为1936年中国工程师学会论文第一奖，并在《工程》杂志发表[15]。
1938年10月，华敦德在国际著名的英国《飞机工程》杂志(Aircraft Engineering)发表“The First Chinese Wind-Tunne: A Description of the Five-Foot Tunnel Installed at Peiping University”文章，介绍清华5英尺航空风洞，引起国际航空学界的注意。
5 南昌航空研究所与远东最大15英尺航空风洞
30年代，中国航空工业十分落后，空军使用飞机大部从美国与意大利进口，这些飞机结构复杂，国内缺乏技术人才，维修困难。为此，中国与意大利合作在南昌建立飞机制造厂。航空业发展需要风洞进行实验，由于清华在航空研究上已取得初步成果，国民政府提议由清华负责建造一个更大的航空风洞。[10]
1936年5月，蒋介石接见梅贻琦、顾毓琇和庄前鼎等。梅贻琦汇报了清华航空研究初步成果，并根据华敦德研究论文的意见，提出发展航空研究新计划，获得蒋介石同意，并手谕南昌航空机械学校钱昌柞校长与清华合作办理。
根据使用要求，这一风洞的试验范围是：“（1）可试验飞机模型及机翼模型，务求不失几何上动力上相似形，律推算整个飞机性能更为准确。此点需模型不小于8英尺，模型赖式系数不少于1500 000。（2）可试验整个发动机之冷却问题，及试验真个螺旋桨，整流罩及落地架等。（3）可试验双发动机之飞机模型，其上装有电动机带动相当比例螺旋桨模型，其每分钟转数不宜超过30 000”[15]。
基于这样的要求，经过与航空委员会、中央飞机制造厂、南昌航空机械学校等具体讨论，清华决定采用15英尺试验口径，450 hp电动机的巡回式风洞，以供准确模型试验及全型引擎试验之用[16]。这是当时远东最大口径的航空风洞，仿效由冯•卡门教授设计、当时能量比率最高的美国加州理工学院的风洞而设计。
当时中国航空人才缺乏，华敦德大胆提议：取消航空组学生毕业考试，利用省出的人力时间，师生协力设计南昌大风洞。这样既可以训练培养人才，又可以建立独立科研的信心[17]。
华敦德的建议得到学校支持，整个设计由他主持，参加者有冯桂连、殷文友两位教授，顾逢时、张捷迁两位助教，以及机械工程系航空组第一班全体同学[18]。华敦德担任全风洞之空气动力学设计，张捷迁及学生协助。冯桂连特别负责喉口部分及支柱之设计，顾逢时及学生协助。殷文友带领学生设计螺旋桨，后又有助教陈文龙协助。
15英尺风洞设计采取边设计边试验的方法，在已建成的5英尺风洞上，进行实验，取得一些参数，以确定大风洞主要特征[12]。
在航空组师生努力下，一个月之内便完成15英尺风洞的初步设计，航空组第一班学生毕业后，华敦德与张捷迁两人又花费四星期，修改完成的初步设计，然后定案，完成正式图。这个风洞是当时世界上最大的风洞之一，比加州理工学院的风洞要大50%[17]。
6月，清华草拟航空工程研究所计划及预算书送请航空委员会审核，7月15日左右，15英尺口径大风洞空气动力设计完成画图。整个工程计划11月上旬开工，1937年4月中旬完工。
11月，清华大学成立南昌航空研究所，顾毓琇兼任所长，庄前鼎兼任副所长航空研究所接受航空委员会及资源委员会指导赞助。同时成立南昌风洞工程筹备委员会。
此时日本帝国主义己经开始实施策划已久的全面侵华战争，南昌遭到频繁轰炸，清华的航空研究与教学均受影响，但风洞建造工程仍加紧推进。1938年1月，钢筋混凝土部分完成，但不幸于3月间，在日机轰炸中，中一弹。15英尺风洞终至功败垂成，清华航空研究遭受重大挫折。1939年华敦德在著名的英国《飞机工程》杂志发表文章介绍15英尺风洞，杂志编辑特加按语，对风洞遭轰炸表示惋惜[16]。
南昌15英尺航空风洞工程自始至终得到国民政府大力支持，1936年7月，江西省政府、航空委员会等均给予积极协助，并在南昌拨房屋给清华航空研究所作为办公室。10月，航空委员会拨到第一笔补助费25 000元。工程财政，由南昌航空机械学校代管，蒋介石亲自指示南昌航空机械学校校长钱昌祚积极配合清华风洞建设。钱昌祚及该校教育长王士倬均为清华校友，又是航空界前辈，对清华风洞工程上有很大帮助。曾有人将南昌风洞失败归于日寇侵略与国民党反动派的误国政策，应该说，前半句确凿，后半句不完全符合实际。
6 15英尺航空风洞特点及意义
经过接洽，清华校友、南昌建筑师黄学诗出任15英尺风洞建筑工程技术顾问，负责购买材料，雇佣工人，按建造设计图施工、管理工地等。清华方面负责：（1）风洞结构建造设计及建造方法。（2）校对材料购买价格数量。（3）校对每日工数工资。（4）监督工程质量。
15英尺航空风洞，许多方面在中国都是首创，一些特点如下：
（1）应用薄壳理论，建造方法国内首创。设计风洞壁建造方案时，出现了分歧。如果按照当时国内一般建筑方法，风洞壁厚将达18 in。而当时一些发达的工业化国家开始采用先进的薄壳结构，例如德国国家航空研究所D.V.L.建造5m×7m口径风洞，采用薄壳建筑方法，风洞壁厚度不过7cm。应用薄壳理论，清华15英尺航空风洞壁厚仅3.5 in,最大风洞壳直径34英尺，打破了当时一般建筑师认为中国技术不够好，非请外国人用机械制造不可的心理[19]
决定用水泥作薄层管的内外壳模板的主要材料，随之而来的问题是：水泥薄层管圆管内直径18英尺、34英尺之大，厚度只有3.5英寸；构造上，中间又夹有0.3048 m左右厚钢筋组，内外壳两模板间隙有限，无法倒进水泥，所以建造水泥薄层管大风洞，在当时技术落后的中国，确是困难的，特别是采用木杆作模板，更增添建造上的困难。航空组经过研究，采用特殊方法解决了这一难题，使前来视察的冯•卡门教授大为惊叹。
（2）南昌风洞口径标准为15英尺；但应用上需要，可变小为10英尺；又可增大为18英尺，最高雷诺数约在1.75 ×107 ～3.0×107 之间，风洞性能估计最高能比约在5.5～6.5之间[15]。
（3）除500 hp电动机和试验之外，全部均为本国制造。其中，螺旋桨叶架桨叶样板及仪器等，由中央研究院物理及工程两研究所按清华设计图代制；螺旋桨叶，委托中央第二飞机制造厂制造[18]
（4）风洞建设在露天，夏天日晒，产生温度差和温度应力。为减少应力，采用滑动支架4处，第1处在风扇螺旋桨之下游，管道的支环之间；其余3处，在导叶片转角支环之下；第4导叶片转角支环最重，所以造成固定，不能移动。天气温度变化，风洞涨缩自由，产生应力最少这是减少温度应力的特殊方法，为国内首创[20]。
清华在5英尺航空风洞基础上建造15英尺航空风洞，标志着中国航空工业发展的一个新阶段。1937年7月，冯•卡门教授在南昌的一次演讲中指出：大凡一个国家航空工业发展，大致分3个时期。第1期为购机时期，飞机与发动机及一切零件，均取自于外国；第2期为仿造时期，即购取外国图样与制造权，自行设厂训练工人制造，欧美日本诸国均有之；第3期则为自行设计制造。而“在此3个时期中，气动力学之研究，风洞之测验，皆可作实际有效之贡献”[21]。1939年9月，华敦德重申了冯•卡门教授的这一观点，并明确指出：1936, 1937年的中国航空工业水平，主要处于第1阶段，即购机阶段，但是已经雄心勃勃地开始第2阶段，并为第3阶段做准备。而清华计划建造的15英尺航空风洞则使得中国有能力解决第1和第2阶段问题，同时迈向第3阶段[16]。
7 西南联大航空工程系成立与南昌航空研究所结束
1938年1月，航空研究所及航空组迁往四川成都。4月底，到达成都，借四川大学一部分房屋，并租一部分房屋，开展工作；学生则继续上课，直到7月毕业。
在川期间，研究所本拟重建一座5英尺口径航空风洞。由于这年秋天教育部令西南联大工学院设立航空工程系，为便于教学、科研更好合作，清华决定将航空研究所由川迁滇，在川建造风洞计划因而作罢。同年夏天，航空机械学校来函请航空研究所代为设计建造3英尺口径小型航空风洞，以供教学之用。航空研究所建成一座1英尺口径的航空风洞捐赠给航空机械学校。
9月，航空研究所迁到昆明北门街71号。此时，顾毓琇已转任教育部次长，庄前鼎接任所长。1939年西南联合大学工学院成立航空工程学系，航空研究所仍属清华。虽然所、系分离，但相互合作十分密切，“清华航空研究所在师资力量和教学设备上都是航空系的坚强有力的后盾”[22]。航空研究所教授均在航空系上课、带实验、指导学生。每年航空系学生空气动力学实验，均在航空研究所风洞中进行，其他方面，航空系亦多借重航空研究所。至此，南昌研究所的历史告一段落，清华航空研究与教学也进入一个新的历史阶段。
清华开展航空教育，服务于国防，造就一批杰出人才。5英尺、15英尺航空风洞的相继研制成功，表明中国航空研究进入了一个新的发展阶段，并连获1936年杭州，1938年贵阳两次中国工程师年会一等奖的殊荣，华敦德在英国《飞机工程》杂志两篇有关清华风洞的文章，引起国家航空界对中国航空研究的重视与赞许。清华坚持航空教育与研究，为现代中国航空事业的发展奠定了重要基础。
参考文献
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16 Wattendorf FL. China's Large Wind Tunnel: Details of the Design and Construction of the 15ft.tunnel at Tsing Hua. Aircraft Engineering, 1939.346
17 著名科学家冯•卡门谈：协助清华创始航空工程研究经过.清华校友通讯，1996 (4): 173,174
18 张捷迁.国立清华大学十五英尺口径风洞.航空机械，1940，4(9): 1,2
19 [美]张捷迁，盛捷.怀念美籍讲座教授华敦德博士对清华的贡献.清华校友通讯，1996(4): 172
20 张捷迁.回忆清华开创航空研究.清华校友通讯(台湾).1986
21 冯•卡门.改善飞机性能之途径.航空机械，1937, 2(3): 11
22 西南联合大学北京校友会编.国立西南联大大学校史.北京：北京大学出版社，1998
（原文刊载于《力学与实践》，2009年第31卷第5期）