杜剛：走一條少有人走的路

本刊記者 于曉杰

杜剛：走一條少有人走的路

本刊記者 于曉杰

專(zhuān)家簡(jiǎn)介：

杜剛，北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院副教授，主要從事生物流體推進(jìn)的數(shù)值模擬、發(fā)動(dòng)機(jī)部件氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)研究工作。曾獲得2013年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)和2012年教育部自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（均排名第三）；作為負(fù)責(zé)人主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“昆蟲(chóng)拍動(dòng)翅的變形和褶皺對(duì)其流動(dòng)和氣動(dòng)力的影響”“昆蟲(chóng)著陸和障礙規(guī)避的運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量及流體力學(xué)機(jī)理研究”和國(guó)家縱向項(xiàng)目“矢量噴管氣動(dòng)及紅外特性研究”，曾主持過(guò)“渦輪基組合動(dòng)力單邊膨脹噴管”項(xiàng)目的噴管試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究部分，北航凡舟基金“昆蟲(chóng)空氣動(dòng)力學(xué)的流固耦合研究”，北航青年教師創(chuàng)新基金“5MW超大型水平軸風(fēng)電葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究”。作為主要成員完成了自然科學(xué)基金項(xiàng)目“昆蟲(chóng)機(jī)動(dòng)飛行的流體力學(xué)及動(dòng)力學(xué)”，國(guó)家“863”項(xiàng)目“風(fēng)機(jī)機(jī)組葉片的先進(jìn)翼型族的設(shè)計(jì)與應(yīng)用”的研究工作。

杜剛的求學(xué)經(jīng)歷堪稱(chēng)一段傳奇。從最初干石油鉆地下到后來(lái)轉(zhuǎn)到天上研究飛機(jī)，之后又轉(zhuǎn)到流體力學(xué)，再轉(zhuǎn)到發(fā)動(dòng)機(jī)研究，還有新能源技術(shù)。從小昆蟲(chóng)轉(zhuǎn)到大飛機(jī)再到風(fēng)力發(fā)電，這一連串的轉(zhuǎn)折在外人看來(lái)實(shí)在有點(diǎn)“雜”，但是在杜剛看來(lái)，這些歷程卻讓他的思路更寬廣，眼界更開(kāi)闊，對(duì)于實(shí)現(xiàn)他的航天航空夢(mèng)想都有極大的幫助。

“我的觀點(diǎn)是不要拘泥某一條格言或者原則，因?yàn)闂l條大路通羅馬，人生是豐富多彩的，每個(gè)人會(huì)走出各自不同的軌跡，有的人是直線的，有的人是曲線的，有的人是螺旋的，只要你要就聽(tīng)從你內(nèi)心深處你最喜歡那個(gè)聲音去做就行了！”杜剛就是這樣一個(gè)果敢和堅(jiān)韌的人，只要自己認(rèn)準(zhǔn)的事情，說(shuō)做就做，從不后悔。他認(rèn)為，堅(jiān)持一條路走下去，每天有所進(jìn)步，就肯定能積累出很大的成就。

石油世家走出航空嬌子

杜剛是四川人，生在一個(gè)石油世家。他的父親是西南石油大學(xué)的教授，家人都期望他能夠子承父業(yè)，在祖國(guó)的石油事業(yè)上有所建樹(shù)，甚至為他都規(guī)劃好了未來(lái)的藍(lán)圖。

然而在別人眼中近水樓臺(tái)的杜剛卻沒(méi)有去摘取那一輪月亮，從小就更對(duì)航空航天感興趣的他在讀完石油專(zhuān)業(yè)的本科之后，經(jīng)過(guò)一番艱難的抉擇，做出了人生中一個(gè)最大的決定，決定還是遵從自己內(nèi)心深處最真實(shí)的興趣和追求，考取了北京航天航空大學(xué)的碩士研究生。

這成為杜剛成長(zhǎng)路上的一個(gè)全新起點(diǎn)，告別了四川的家人，獨(dú)自一人開(kāi)始了京城的求學(xué)生涯。當(dāng)時(shí)是在北航的飛機(jī)設(shè)計(jì)系，主要是研究飛機(jī)的結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)度等相關(guān)的知識(shí)，那是他幼年開(kāi)始就夢(mèng)寐以求的理想。

碩士畢業(yè)之后，杜剛開(kāi)始師從孫茂老師，學(xué)習(xí)流體力學(xué)。當(dāng)時(shí)，正值國(guó)際上各種先進(jìn)微型制造技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、微電子和一體化技術(shù)有了迅速發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，人們提出了微型飛行器這一新概念。當(dāng)時(shí)設(shè)想的微型飛行器尺寸為10厘米左右，下一步將向厘米，甚至毫米量級(jí)發(fā)展。若采用傳統(tǒng)的氣動(dòng)布局和飛行方式，微型飛行器會(huì)有低雷諾數(shù)下不能產(chǎn)生足夠的升力，大氣脈動(dòng)速度與飛行速度同量級(jí)等問(wèn)題，因而，應(yīng)該尋求空氣動(dòng)力學(xué)新概念。

實(shí)際上，在自然界中已經(jīng)有了“智能化”的微型飛行器——昆蟲(chóng)，它們經(jīng)過(guò)大自然幾億年的“實(shí)驗(yàn)”和“選擇”，飛行技藝高超，體積小，機(jī)動(dòng)靈活，正好滿足了人們的需要，微型飛行器應(yīng)該“仿效”它們。這就要求科研人員有必要深入了解昆蟲(chóng)飛行的力學(xué)機(jī)理。杜剛向我們介紹說(shuō)，昆蟲(chóng)飛行的力學(xué)主要涉及空氣動(dòng)力學(xué)，力能學(xué)和飛行動(dòng)力學(xué)。空氣動(dòng)力學(xué)主要研究昆蟲(chóng)所需的高升力是如何產(chǎn)生的；力能學(xué)探討在各種飛行狀態(tài)下，為產(chǎn)生足夠的升力和推力需要多大的功率及需用功率隨飛行參數(shù)的變化規(guī)律；飛行動(dòng)力學(xué)則是研究飛行的動(dòng)穩(wěn)定性和控制的問(wèn)題。于是，杜剛跟隨孫茂老師開(kāi)始研究昆蟲(chóng)飛行，繼而進(jìn)行相關(guān)的流體力學(xué)數(shù)值仿真和觀測(cè)一類(lèi)的工作。這幾年下來(lái)，杜剛感覺(jué)離自己的興趣點(diǎn)越來(lái)越接近，也更加明確了自己未來(lái)的研究方向。

但是，現(xiàn)實(shí)并非都是順風(fēng)順?biāo)?，在杜剛博士畢業(yè)的時(shí)候，為了能夠留校，博士后只能掛在能源與動(dòng)力工程學(xué)院的發(fā)動(dòng)機(jī)系，這對(duì)于他來(lái)講是一個(gè)完全陌生的學(xué)科，與之前的研究領(lǐng)域有比較大的差別，但是杜剛主動(dòng)去適應(yīng)這一變化，在研究新的領(lǐng)域知識(shí)之外，并沒(méi)有放棄對(duì)于昆蟲(chóng)飛行的研究，甚至將二者有機(jī)聯(lián)系，融會(huì)貫通。在杜剛看來(lái)，昆蟲(chóng)的飛行也是一種推行，和螺旋槳、發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)有異曲同工的地方，也是有值得鉆研和借鑒的道理所在。博士后出站之后，杜剛留在了能源與動(dòng)力工程學(xué)院當(dāng)老師，負(fù)責(zé)本科生的新能源方面的理論教學(xué)，但他仍然能夠把他對(duì)昆蟲(chóng)的研究認(rèn)識(shí)融進(jìn)教學(xué)中去，給學(xué)生們帶來(lái)不一樣的生動(dòng)感受。

昆蟲(chóng)世界的秘密

杜剛幼年在四川家鄉(xiāng)的時(shí)候就對(duì)飛翔的昆蟲(chóng)們感興趣，蜻蜓、蜜蜂、蝴蝶甚至是蚊蠅，為什么可以飛的那么快？為什么能夠在空中轉(zhuǎn)彎？又為什么能夠倒立地停在天花板上？一連串的問(wèn)題也造就了他年少時(shí)那種樸素的航天夢(mèng)像的剪影。直到他來(lái)到北航，遇到孫茂老師之后，一扇奇妙的科學(xué)大門(mén)轟然為他敞開(kāi)。

孫茂教授是從美國(guó)普林斯頓大學(xué)歸來(lái)的“老科研”，從20世紀(jì)90年代中期就開(kāi)始了昆蟲(chóng)飛行的空氣動(dòng)力學(xué)和飛行力學(xué)的研究，經(jīng)常用流體力學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)去解決生物學(xué)上的一些國(guó)際前沿問(wèn)題。師徒二人志趣相投，一見(jiàn)如故，開(kāi)始了攜手探索昆蟲(chóng)世界的奧秘之旅。

在他們之前的十多年里，人們?cè)诶ハx(chóng)飛行的空氣動(dòng)力學(xué)、力能學(xué)和飛行動(dòng)力學(xué)方面已經(jīng)做了大量的工作，也取得了一定地進(jìn)展，對(duì)氣動(dòng)力產(chǎn)生的機(jī)理，需用功率隨飛行參數(shù)的變化規(guī)律，及飛行的動(dòng)穩(wěn)定性都有了一定的認(rèn)識(shí)。但杜剛同時(shí)向記者解釋?zhuān)瑤缀踉谒幸陨系墓ぷ髦?，無(wú)論是理論計(jì)算或是模型實(shí)驗(yàn)研究，昆蟲(chóng)翅膀均用剛性平板翅來(lái)代替，這雖然給研究帶來(lái)了很大的簡(jiǎn)化，但現(xiàn)實(shí)中真實(shí)的情況是昆蟲(chóng)飛行的過(guò)程里，翅膀需要拍得很快才能得到足夠大的推力，而實(shí)際上所有產(chǎn)生推力的翅膀都具有褶皺結(jié)構(gòu)和且都是會(huì)發(fā)生變形的。那么，在變形的情況下產(chǎn)生的氣動(dòng)力和之前不考慮變形的時(shí)候會(huì)有什么不同？昆蟲(chóng)是不是故意利用這種變形來(lái)產(chǎn)生高效的推力和升力呢？假如它的變形會(huì)產(chǎn)生影響，那么影響到底大不大？又是一連串的問(wèn)題擺在了杜剛的面前，他明白，無(wú)論結(jié)論如何都將對(duì)這一領(lǐng)域的科研有非常重要的價(jià)值。

杜剛要解決的第一個(gè)難題就是要得出結(jié)論——昆蟲(chóng)在飛行中是如何變形的？而這幾乎算得上是一個(gè)世界性的難題，因?yàn)閺睦碚撚?jì)算上是算不出來(lái)的，世界上沒(méi)有一個(gè)公式可以做依據(jù)。只能依靠實(shí)際觀測(cè)。于是杜剛從數(shù)百萬(wàn)種昆蟲(chóng)中遴選具有代表性的8種，尺寸上要覆蓋從大到小，在拍動(dòng)的頻率上，也要兼顧快慢。

杜剛和他的同事們開(kāi)始用高速攝像機(jī)拍攝這些昆蟲(chóng)飛行的瞬間，三臺(tái)攝像機(jī)全方位地進(jìn)行拍攝，之后再運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)把結(jié)果演算出來(lái)，這樣變形時(shí)和不變形時(shí)的氣動(dòng)力就能計(jì)算出差距了。

理論雖然如此，但是實(shí)際操作起來(lái)是一個(gè)極其枯燥和數(shù)據(jù)龐大的工程。昆蟲(chóng)翅膀1秒鐘可以拍動(dòng)約150次，相機(jī)1秒鐘拍5000張，一只蟲(chóng)子飛一次，就得處理少則幾千張，多則上萬(wàn)張的照片，有時(shí)候光處理一只蟲(chóng)子的數(shù)據(jù)就得花上幾個(gè)月的時(shí)間。

杜剛無(wú)奈地表示，搞科研并沒(méi)有外界想象的那樣神秘和浪漫，更多的是面對(duì)這種枯燥，更需要你具有一種寧?kù)o的心態(tài)。有些時(shí)候，可能因?yàn)槟骋粋€(gè)字母或者符號(hào)打錯(cuò)了，結(jié)果程序就會(huì)報(bào)錯(cuò)，但是你又一時(shí)找不出問(wèn)題所在，就會(huì)卡在那里一兩個(gè)月進(jìn)行不下去。那段時(shí)間，用杜剛的話描述，每天就是“吃飯睡覺(jué)盯程序”，但是一直沒(méi)有解決，直到某一天，突然會(huì)豁然開(kāi)朗才會(huì)找出問(wèn)題所在。

在杜剛看來(lái)，這種“折磨”的經(jīng)歷也是人生中一種必不可少的歷練。他最?lèi)?ài)讀的一本書(shū)叫《少有人走的路》，給他留下了難以磨滅的印象。杜剛非常推崇里面的一個(gè)觀點(diǎn)：當(dāng)你碰到問(wèn)題的時(shí)候，一個(gè)成熟的人一定會(huì)選擇面對(duì)問(wèn)題解決問(wèn)題，而不成熟的人則會(huì)想方設(shè)法地繞過(guò)問(wèn)題。書(shū)里說(shuō)，你愿不愿意面對(duì)困難，是一個(gè)人成熟與否的標(biāo)志。杜剛把這句至理名言作為自己的座右銘，時(shí)刻勉勵(lì)自己，在困境中能夠咬牙堅(jiān)持住。而經(jīng)歷風(fēng)雨之后，就會(huì)迎來(lái)美麗的彩虹。杜剛正是通過(guò)這種艱苦枯燥的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的方式，捕捉到了昆蟲(chóng)飛行中的變形狀態(tài)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出了雖然昆蟲(chóng)在飛行中翅膀是變形的，但是影響并不大的最終結(jié)論。這一結(jié)果發(fā)表在《實(shí)驗(yàn)生物學(xué)》和《理論生物學(xué)》等雜志上，反響頗為強(qiáng)烈。杜剛的這一研究結(jié)果等于解決了一個(gè)很重要的問(wèn)題，在此之后，研究昆蟲(chóng)的科學(xué)家們就不必再去考慮昆蟲(chóng)飛行中的褶皺和變形問(wèn)題了，相當(dāng)于為這個(gè)領(lǐng)域的科研之路鋪平了一條之前困擾前行者的溝壑。

希望學(xué)生早日成材

杜剛另一個(gè)重要的身份是北航能源與工程學(xué)院的副教授，主講風(fēng)能課。從葉片的設(shè)計(jì)到發(fā)電機(jī)到齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)這一系列理論的基礎(chǔ)，本是枯燥的理論課程被杜剛講得風(fēng)生水起。他把風(fēng)能和他的老本行飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)合在一起，本來(lái)講用來(lái)發(fā)電的風(fēng)力機(jī)葉片，但是杜剛故意引導(dǎo)到飛機(jī)的機(jī)翼或者直升機(jī)的旋翼上去，用鮮活的實(shí)例替代冷冰冰的理論，讓學(xué)生們覺(jué)得新穎，聽(tīng)起課來(lái)也覺(jué)得趣味盎然，同時(shí)杜剛這種獨(dú)特的授課風(fēng)格也將那些簡(jiǎn)單化的理論上升到了比較深的層次。

杜剛推崇用引導(dǎo)的方式來(lái)幫助學(xué)生積累解決問(wèn)題的能力，提升他們的獨(dú)立性。作為本科生的班主任，杜剛基本采取的是“放養(yǎng)”的狀態(tài)，他笑稱(chēng)自己“不愿意”去見(jiàn)他們，因?yàn)樗幌胂窦议L(zhǎng)那樣整天在學(xué)生的耳邊嘮嘮叨叨指手畫(huà)腳，他希望培養(yǎng)學(xué)生自己做決定，自己想辦法，自己承擔(dān)后果，自己總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不要一遇到困難就求助老師幫忙。杜剛對(duì)于學(xué)生的請(qǐng)求從來(lái)都是點(diǎn)到為止，這樣幾番下來(lái)，學(xué)生有了問(wèn)題，自然會(huì)想辦法通過(guò)看書(shū)、查各種文獻(xiàn)、利用各種軟件以及和同學(xué)交流討論等形式來(lái)解決。

杜剛希望自己的學(xué)生都能成為具有獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新思想的科研工作者，他回憶起在美國(guó)紐約大學(xué)柯朗數(shù)學(xué)研究所和美國(guó)科學(xué)家一起做研究的那段日子，本來(lái)都是物理系的，但是他們研究的東西特別廣泛，沒(méi)有條條框框的束縛，比如他們會(huì)做一個(gè)像金字塔形狀的小飛行器進(jìn)行飛行測(cè)試，也會(huì)拿一塊圓形的糖用流動(dòng)的水去沖刷它，流體和固體之間會(huì)產(chǎn)生一種摩擦力，進(jìn)而將圓形的糖變成了三角形。這些實(shí)驗(yàn)在我們看來(lái)完全沒(méi)有什么工程實(shí)用價(jià)值，完全出自于興趣，但是卻創(chuàng)造了他們無(wú)與倫比的創(chuàng)新精神，這一點(diǎn)，我們確實(shí)存在著較大的差距，要盡力改變和迎頭趕上。

杜剛說(shuō)，他這一生很幸運(yùn)能在北航遇到很多大師級(jí)的學(xué)者，這些學(xué)者在當(dāng)今浮躁的學(xué)術(shù)氣氛中和那些耀眼的“學(xué)術(shù)明星”相比，顯得默默無(wú)聞，但是他們卻很專(zhuān)注地安靜平凡地做著自己的科研。這對(duì)杜剛的影響非常之大，他認(rèn)為，一所大學(xué)真正能流傳后世的東西，不是有多少大樓，多少獎(jiǎng)狀，而應(yīng)該是一種純真的學(xué)術(shù)精神和強(qiáng)大的學(xué)術(shù)力量。他希望自己也能夠把這種學(xué)術(shù)精神傳承給他的學(xué)生們。

魯迅先生曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，世間本沒(méi)有路，走的人多了，也就成了路。然而在科學(xué)的道路上，杜剛并不想擠在熙熙攘攘的人群里亦步亦趨，他希望能夠走出一條屬于自己的精彩軌跡。談到未來(lái)，剛剛榮升為兩個(gè)孩子父親的杜剛最近忙得有點(diǎn)不可開(kāi)交。生活、科研、教學(xué)以及和企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化合作，都滿滿當(dāng)當(dāng)?shù)嘏派狭巳粘獭５撬錆M了干勁，杜剛對(duì)記者說(shuō)：“做事情的時(shí)候，只要是全身心的投入的話，是不會(huì)感覺(jué)到累的，相反，這些都是讓我非?？鞓?lè)的事！”