1908年，莱特兄弟实现了人类飞行的梦想。到三四十年代，飞机平均时速达到了三四百公里，人们正在为进一步提高飞行速度而奋斗。这是航空发展史上第二个里程碑。为了提高飞行速度，在技术上遇到了极大的困难，也就是说，当飞机以接近于声速的速度飞行时，阻力剧增，升力骤降，头重尾轻，舵面失灵，甚至机翼、机身发生强烈振动。因此，跨声速流是当时摆在力学家和航空工程师面前的一个艰巨课题。人们形象地称这一难题为“声障”。

在理论上进行研究也有很大困难。一方面，在跨声速范围内，即使是薄翼和细长体，线性化理论不再适用，必须考虑非线性效应；另一方面，由于出现兼有亚声速与超声速区域的混合流动，必须发展混合型方程的理论，尤其是当来流速度超过某一临界值以后，会出现激波，所以，在流场中存在着未知的间断面，通过该间断面，物理量的变化是不连续的。20世纪三四十年代，在冯·卡门领导下，有一批科学家聚集在美国加州理工学院的古根海姆航空实验室为攻克这个堡垒进行了大量艰苦的研究工作。其中，郭永怀在跨声速领域的理论研究方面作出了杰出贡献。

郭永怀对跨声速流动不连续解的研究不仅在数学上有创见，即采用了渐近分析方法来克服超几何级数收敛缓慢的困难，更重要的是，他与钱学森一起，在《可压缩流体二维无旋亚声速和超声速混合型流动和上临界马赫数》一文中提出了所谓“上临界马赫数”的概念，回答了机翼上何时会出现激波这个重要的理论问题。尽管人们当时凭直觉已经意识到激波的出现是气动特性改变的主要原因，但起初往往只注意下临界马赫数（即流场中第一次出现声速的飞行马赫数）这个参数。郭永怀的连续解说明，即使飞行速度超过了下临界马赫数，在理论上连续解依然可能存在，只有当飞行马赫数超过了上临界马赫数（即流场中第一次出现极限线的马赫数）时才会出现激波。这时等熵流动条件破环，流动出现分离与旋涡，流体的一部分机械能转变为热能。所有这些因素都会严重地改变流场与气动特性。所以，真正有实际意义的是上临界马赫数，而不是下临界马赫数。这是一个重大的发现。郭永怀还进一步用稳定性理论解释实际临界马赫数会介于上下临界马赫数之间的原因，这也是对高性能气动外型的设计的先驱性工作。

郭永怀对激波与边界层相互作用的研究回答了激波是怎样影响翼剖面气动特性的这个重要问题。在这一时期，已有的简化模型只在速度型上逐步接近实际，但均未考虑粘性效应，所以至多给出定性结果。郭永怀用两种不同途径直接考虑了弱激波从平板边界层的反射，得到了平板上压力分布、流线曲率、分离点等物理量的变化规律，包括层流与湍流边界层的情况。他的结论同H.W.里普曼（Liepmann）的实验结果十分一致。这对于机翼上出现激波后，气动特性的变化的分析研究具有深远的意义。

在20世纪40年代，由于计算机的发展还处于初级阶段，而在流体力学中只有罕见的几个准确解，所以，寻求物理问题的近似解析解颇受青睐。摄动理论就是求物理问题近似解的一种有效手段，所以也得到了相应的发展。

但是，在应用摄动法时，所得到的解往往不是在整个区域中一致有效的。为了克服这一困难，奇异摄动理论应运而生，奇异摄动理论最常用的两个方法是匹配渐近展开法和变形坐标法。郭永怀在这两个方面都有贡献。实际上，1904年，L.普朗特（Prandtl）提出的边界层理论是匹配方法的雏型，它来自物理上的直觉。后来经过包括郭永怀在内的许多科学家在解决实际问题时，将这类方法系统化、数学化，直到M.范·戴克（Van Dyke）提出匹配原理以后，才真正上升为比较完整的理论。郭永怀还推广了庞加莱的变形参数法和莱特希尔的变形坐标法，使它对于一阶方程即使是非线性的情况也适用。他还将边界层方法同变形坐标法结合起来，以消除边界层前缘的奇异性。钱学森于1955年在《应用力学进展》（Advances in Applied Mechanics）的一文中将这种方法命名为PLK方法（庞加莱、莱特希尔、郭永怀）。在郭永怀的《关于中等雷诺数下不可压缩粘性流体绕平板的流动》一文中，不仅克服了前缘奇异性的困难，给出了有限长度平板二阶阻力公式，使适用范围扩展到Re=15左右，而且准确地描述了平板前缘附近缓慢流动的流场特性。PLK方法在力学和其他学科中得到了广泛的应用。现在，摄动理论成为比较完整和系统的学科，郭永怀则是这门学科最重要的十几位理论奠基人之一。

郭永怀不仅是著名的空气动力学家，而且是一代应用数学大师。将工程科学与数学紧密结合是他进行力学研究的风格。这种风格主要体现为：

1.从事力学研究，选题必须有比较明确的（包括远期的）应用背景。力学研究既不能象纯粹数学那样只用演绎的方法进行工作，也不能局限于非常具体的技术问题，必须将实践上升为理论，从中发现规律性的东西。

2.在大量观察与实验的基础上，通过对问题物理机制进行分析，提炼出既反映现象本质，又便于数学分析的简化力学模型。

3.采用一切现有的有效数学手段，将问题求解到尽可能彻底的地步，在必要时，要研究与发展新的数学方法，以满足工程需要。

4.对分析结果进行物理解释，揭示规律，并同实验与现场观测作比较。

郭永怀的这种学术风格可以追溯到著名的德国哥廷根学派。C.F.高斯（Gauss）不仅是大数学家，而且是物理学家、天文学家。本世纪初，哥廷根大学应用力学系是数学家F.克莱因（Klein）创立的。普朗特在那里提出了边界层与升力线理论。普朗特的学生冯·卡门将这种风格带到了加州理工学院。而郭永怀凭着他坚实的数学物理基础，将这种结合提高到了非常完美的程度，并给我国的力学界、应用数学界以深远的影响。

早在回国以前，郭永怀就同谈镐生探讨过回国后如何培养力学人才的问题。回国后，他始终把培养科技人才当作头等大事来抓。

1956年，我国恢复建立研究生制度。郭永怀积极筹划力学所的研究生培养。在第一批招生中，他一人就带了5名研究生，以后又亲自带过几批。他主张：培养人才要“言教、身教，以身教为主”。在教学和科研中，他自己做表率，经常同年轻人一道解决一个个具体的技术问题。在培养研究生和助手时，他注重使他们在理论分析和实验研究两个方面都得到提高。他对年轻人的指导和帮助是启发式的、循序渐进的，重点强调掌握科研方法，提高科研本领，而不仅仅是解决某些具体问题。在他的培养下，研究生中有不少已成为所级学术领导人或博士研究生的导师。

1957年，郭永怀和钱伟长组织并领导了清华大学力学研究班。他除负责研究班的日常组织工作外，还亲自执教，讲授流体力学概论。开课前，他把辅导教员找来，亲自带领他们到有关高等院校的实验室参观，对一些关键问题给予一些启示，再让他们为课程安排一个实验计划，使这门课做到理论联系实际。临毕业前，郭永怀亲自指导安排学员们的毕业论文题目，并设法每周都同辅导教员和学员碰头，了解进展情况，帮助解决问题。清华大学力学研究班前后共办了三届，毕业生达290多名。现在这些学员分布在全国各地的各个部门，特别是在国防科研单位和重点院校的力学系或力学专业教研室，他们起着顶梁柱的作用。

郭永怀在培养人才方面不遗余力。1958年，他兼任中国科技大学化学物理系主任和北京大学数学力学系教授，讲授高速边界层。执教中，每堂课都凝结了他的心血。他评论和分析学者们成功与失败的经验，使初入门的研究人员都深受启发，甚至终生受用。在讲到求解各种形式的N-S方程时，他总是眉飞色舞，侃侃而谈，指出采用什么样的变换有希望获得成功，走哪一条路是徒劳的，会遇到什么问题，症结何在。凡听过他课的人都感到回味无穷。陆士嘉也常常赶来听郭永怀的讲课。她当时曾评价说：“只有他能讲得这样传神。”

郭永怀是一位优秀的教育家。他将自己比作一颗石子，甘愿为青年人的成长铺路。他深感大批培养优秀人才是我国科技事业发展的重要保证。培养学术接班人这一艰巨任务在他的工作安排上占有突出的地位。他的一言一行都体现了这一点。1961年，他曾写道：“当前的打算是早日培养一批骨干力量，慢慢形成一支专业队伍。”随后他欣慰地说：“由于几年的工作，已经见到效果。”

1960年5月，郭永怀被调到核武器研究院（九院），并兼任该院副院长。他在处理好力学所日常工作的同时，把大量精力花费在研制核武器这项对我国政治、国防和科技发展有重大意义的事业中。在原子弹研制初期，郭永怀主要负责力学方面的领导工作。

在原子弹理论探索阶段，郭永怀对一些关键问题的解决作出了重大贡献。例如，当时在第一颗原子弹采取什么样的引爆方式上存在不同意见，郭永怀通过比较两者的优劣，大力支持“争取高的，准备低的”的方针，即以较高级的“内爆法”作为主攻方向。又如，在炸药爆轰波的理论计算上，郭永怀正确地提出用一维特征线法进行，解决了一大批理论和技术难题。为了使大家了解爆轰学，郭永怀还亲自讲授了爆炸力学。

在爆轰物理试验过程中，郭永怀经常深入试验现场，指导工作并协助开展试验。当时，为确定原子弹爆轰聚焦技术方案，争论是很热烈的。年轻的物理学家陈能宽提出了一个难度和风险都很大、但却能少走弯路的聚焦方案。许多人对此持怀疑态度。郭永怀从力学角度反复估算，大胆支持采纳这个方案。为了配合爆轰试验，郭永怀还指导设计部人员进行不同试验元件的结构设计，使爆轰试验得以顺利进行。

郭永怀十分重视并经常在九院的会议上反复强调核弹的武器化和系列化，指出要努力做好核武器的后期发展工作。在此后的进程中，他一直负责总体结构设计、外型设计以及环境模拟实验的指导与把关。他很早就安排了一系列与武器化有关的预研课题，包括结构设计、外型设计、飞行弹道、物理引信、环境试验项目与设备等。在弹体结构设计中，郭永怀提出了许多独特的设想，包括薄壳结构、通用核航弹等。它们都在后来的工作中逐步得以实施，对核武器的轻型化、实战化和系列化以及新原理实验具有重要的意义。

在环境试验方面，郭永怀在建立我国核武器环境试验设备及分析研究上起了主导作用。他从技术人员的配备、课题的安排、试验项目的确定和试验设备的筹建等多方面入手，使我国有了一整套大型、精密、试验范围较广的设备，包括冲击、噪声、振动、过载、温湿度、霉菌、盐雾的组合试验设备和大型离心试验机等。他还亲自出马，找有关单位协商研制专门设备。

郭永怀的科研眼光长远，在他心中始终装着武器化阶段的长远计划。他提出动态环境试验要开展随机振动、高速冲击和噪声试验。为了提高核武器的适应性，他提出开展拓宽温度试验。九院当时分工不分家，郭永怀的注意力也常常超出力学领域之外。他特别关心“安全论证”课题的研究。“安全论证”就是研究当飞机投下核武器后，能否以及怎样安全躲过光辐射、冲击波的威胁。为了保证绝对安全，郭永怀极力主张理论计算与模型空投试验结合进行。为此他还亲自过问并参与计算核航弹和氢弹空投过程中的飞行弹道、伞—弹弹道特性。在他的倡导下，经过严格的计算与分析，每次核试验飞机都安全返航。

郭永怀参加了1964年10月16日我国第一颗原子弹爆炸试验，以后又参加了核航弹、氢弹和导弹核武器试验。他对我国核武器事业的贡献是多方面的。例如，他对核武器系列化发展提出许多建议和设想；他指导进行了反潜核武器的水中爆炸力学研究、水洞试验以及调研工作；对研究发展潜地导弹也作出了贡献。此外，郭永怀还应两弹结合时期的需要，对我国核武器科研体制提出了重要设想。

1968年10月，郭永怀再次赴青海，筹划我国第一颗导弹热核武器试验工作。在离开青海之前，他对这次国家试验进行过评价发言。当时，试验的理论方面有“过早点火几率”问题；实验方面有设计内球新结构问题；材料加工方面正考虑产品自热和装配贮存问题；在整体系统方面有“弹、伞、机”的协同配合问题。郭永怀从这次热试验的准备情况瞻望1969年和以后的任务，大胆提出今后设计要重新考虑上述各方面的问题，为我国核武器的机动、安全、和小型化指明了方向。12月5日，郭永怀从兰州乘飞机返京。当飞机在北京机场着陆时，发生了一等事故，郭永怀不幸以身殉职。

郭永怀为我国的力学事业、国防科技事业贡献了毕生精力。他在回国后的短短12年时间里所做的工作之多令人叹服。他参与了我国小型地空导弹、氢氧发动机和反导导弹的研制；他翻译并出版了普朗特的名著《流体力学概论》，组织翻译了《爆炸力学》；他担任了《力学学报》和《力学译丛》两个杂志的主编；他是中国力学学会理事和中国航空学会副理事长。郭永怀的学术成就和高尚品德受到人们的敬仰和钦佩。为了纪念他，中国科学出版社分别于1982年和1990年出版了《郭永怀文集》和《郭永怀纪念文集》。1988年12月5日，在中国科学院力学研究所大院东侧绿荫丛中为郭永怀树立了一尊汉白玉雕像。郭永怀的光辉形象将永存人间。

（李家春 李成智）