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

專家簡介：

杜剛，北京航空航天大學能源與動力工程學院副教授，主要從事生物流體推進的數(shù)值模擬、發(fā)動機部件氣動優(yōu)化設計和風力機氣動設計研究工作。曾獲得2013年度國家自然科學獎二等獎和2012年教育部自然科學獎一等獎（均排名第三）；作為負責人主持國家自然科學基金面上項目“昆蟲拍動翅的變形和褶皺對其流動和氣動力的影響”“昆蟲著陸和障礙規(guī)避的運動學測量及流體力學機理研究”和國家縱向項目“矢量噴管氣動及紅外特性研究”，曾主持過“渦輪基組合動力單邊膨脹噴管”項目的噴管試驗與數(shù)值模擬研究部分，北航凡舟基金“昆蟲空氣動力學的流固耦合研究”，北航青年教師創(chuàng)新基金“5MW超大型水平軸風電葉片氣動設計技術研究”。作為主要成員完成了自然科學基金項目“昆蟲機動飛行的流體力學及動力學”，國家“863”項目“風機機組葉片的先進翼型族的設計與應用”的研究工作。

杜剛的求學經(jīng)歷堪稱一段傳奇。從最初干石油鉆地下到后來轉(zhuǎn)到天上研究飛機，之后又轉(zhuǎn)到流體力學，再轉(zhuǎn)到發(fā)動機研究，還有新能源技術。從小昆蟲轉(zhuǎn)到大飛機再到風力發(fā)電，這一連串的轉(zhuǎn)折在外人看來實在有點“雜”，但是在杜剛看來，這些歷程卻讓他的思路更寬廣，眼界更開闊，對于實現(xiàn)他的航天航空夢想都有極大的幫助。

“我的觀點是不要拘泥某一條格言或者原則，因為條條大路通羅馬，人生是豐富多彩的，每個人會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，只要你要就聽從你內(nèi)心深處你最喜歡那個聲音去做就行了！”杜剛就是這樣一個果敢和堅韌的人，只要自己認準的事情，說做就做，從不后悔。他認為，堅持一條路走下去，每天有所進步，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，生在一個石油世家。他的父親是西南石油大學的教授，家人都期望他能夠子承父業(yè)，在祖國的石油事業(yè)上有所建樹，甚至為他都規(guī)劃好了未來的藍圖。

然而在別人眼中近水樓臺的杜剛卻沒有去摘取那一輪月亮，從小就更對航空航天感興趣的他在讀完石油專業(yè)的本科之后，經(jīng)過一番艱難的抉擇，做出了人生中一個最大的決定，決定還是遵從自己內(nèi)心深處最真實的興趣和追求，考取了北京航天航空大學的碩士研究生。

這成為杜剛成長路上的一個全新起點，告別了四川的家人，獨自一人開始了京城的求學生涯。當時是在北航的飛機設計系，主要是研究飛機的結構以及強度等相關的知識，那是他幼年開始就夢寐以求的理想。

碩士畢業(yè)之后，杜剛開始師從孫茂老師，學習流體力學。當時，正值國際上各種先進微型制造技術、微機電系統(tǒng)、微電子和一體化技術有了迅速發(fā)展。在此基礎上，人們提出了微型飛行器這一新概念。當時設想的微型飛行器尺寸為10厘米左右，下一步將向厘米，甚至毫米量級發(fā)展。若采用傳統(tǒng)的氣動布局和飛行方式，微型飛行器會有低雷諾數(shù)下不能產(chǎn)生足夠的升力，大氣脈動速度與飛行速度同量級等問題，因而，應該尋求空氣動力學新概念。

實際上，在自然界中已經(jīng)有了“智能化”的微型飛行器——昆蟲，它們經(jīng)過大自然幾億年的“實驗”和“選擇”，飛行技藝高超，體積小，機動靈活，正好滿足了人們的需要，微型飛行器應該“仿效”它們。這就要求科研人員有必要深入了解昆蟲飛行的力學機理。杜剛向我們介紹說，昆蟲飛行的力學主要涉及空氣動力學，力能學和飛行動力學。空氣動力學主要研究昆蟲所需的高升力是如何產(chǎn)生的；力能學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；飛行動力學則是研究飛行的動穩(wěn)定性和控制的問題。于是，杜剛跟隨孫茂老師開始研究昆蟲飛行，繼而進行相關的流體力學數(shù)值仿真和觀測一類的工作。這幾年下來，杜剛感覺離自己的興趣點越來越接近，也更加明確了自己未來的研究方向。

但是，現(xiàn)實并非都是順風順水的，在杜剛博士畢業(yè)的時候，為了能夠留校，博士后只能掛在能源與動力工程學院的發(fā)動機系，這對于他來講是一個完全陌生的學科，與之前的研究領域有比較大的差別，但是杜剛主動去適應這一變化，在研究新的領域知識之外，并沒有放棄對于昆蟲飛行的研究，甚至將二者有機聯(lián)系，融會貫通。在杜剛看來，昆蟲的飛行也是一種推行，和螺旋槳、發(fā)動機的推進有異曲同工的地方，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力工程學院當老師，負責本科生的新能源方面的理論教學，但他仍然能夠把他對昆蟲的研究認識融進教學中去，給學生們帶來不一樣的生動感受。

昆蟲世界的秘密

杜剛幼年在四川家鄉(xiāng)的時候就對飛翔的昆蟲們感興趣，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？一連串的問題也造就了他年少時那種樸素的航天夢像的剪影。直到他來到北航，遇到孫茂老師之后，一扇奇妙的科學大門轟然為他敞開。

孫茂教授是從美國普林斯頓大學歸來的“老科研”，從20世紀90年代中期就開始了昆蟲飛行的空氣動力學和飛行力學的研究，經(jīng)常用流體力學的專業(yè)知識去解決生物學上的一些國際前沿問題。師徒二人志趣相投，一見如故，開始了攜手探索昆蟲世界的奧秘之旅。

在他們之前的十多年里，人們在昆蟲飛行的空氣動力學、力能學和飛行動力學方面已經(jīng)做了大量的工作，也取得了一定地進展，對氣動力產(chǎn)生的機理，需用功率隨飛行參數(shù)的變化規(guī)律，及飛行的動穩(wěn)定性都有了一定的認識。但杜剛同時向記者解釋，幾乎在所有以上的工作中，無論是理論計算或是模型實驗研究，昆蟲翅膀均用剛性平板翅來代替，這雖然給研究帶來了很大的簡化，但現(xiàn)實中真實的情況是昆蟲飛行的過程里，翅膀需要拍得很快才能得到足夠大的推力，而實際上所有產(chǎn)生推力的翅膀都具有褶皺結構和且都是會發(fā)生變形的。那么，在變形的情況下產(chǎn)生的氣動力和之前不考慮變形的時候會有什么不同？昆蟲是不是故意利用這種變形來產(chǎn)生高效的推力和升力呢？假如它的變形會產(chǎn)生影響，那么影響到底大不大？又是一連串的問題擺在了杜剛的面前，他明白，無論結論如何都將對這一領域的科研有非常重要的價值。

杜剛要解決的第一個難題就是要得出結論——昆蟲在飛行中是如何變形的？而這幾乎算得上是一個世界性的難題，因為從理論計算上是算不出來的，世界上沒有一個公式可以做依據(jù)。只能依靠實際觀測。于是杜剛從數(shù)百萬種昆蟲中遴選具有代表性的8種，尺寸上要覆蓋從大到小，在拍動的頻率上，也要兼顧快慢。

杜剛和他的同事們開始用高速攝像機拍攝這些昆蟲飛行的瞬間，三臺攝像機全方位地進行拍攝，之后再運用計算機數(shù)值模擬技術把結果演算出來，這樣變形時和不變形時的氣動力就能計算出差距了。

理論雖然如此，但是實際操作起來是一個極其枯燥和數(shù)據(jù)龐大的工程。昆蟲翅膀1秒鐘可以拍動約150次，相機1秒鐘拍5000張，一只蟲子飛一次，就得處理少則幾千張，多則上萬張的照片，有時候光處理一只蟲子的數(shù)據(jù)就得花上幾個月的時間。

杜剛無奈地表示，搞科研并沒有外界想象的那樣神秘和浪漫，更多的是面對這種枯燥，更需要你具有一種寧靜的心態(tài)。有些時候，可能因為某一個字母或者符號打錯了，結果程序就會報錯，但是你又一時找不出問題所在，就會卡在那里一兩個月進行不下去。那段時間，用杜剛的話描述，每天就是“吃飯睡覺盯程序”，但是一直沒有解決，直到某一天，突然會豁然開朗才會找出問題所在。

在杜剛看來，這種“折磨”的經(jīng)歷也是人生中一種必不可少的歷練。他最愛讀的一本書叫《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觀點：當你碰到問題的時候，一個成熟的人一定會選擇面對問題解決問題，而不成熟的人則會想方設法地繞過問題。書里說，你愿不愿意面對困難，是一個人成熟與否的標志。杜剛把這句至理名言作為自己的座右銘，時刻勉勵自己，在困境中能夠咬牙堅持住。而經(jīng)歷風雨之后，就會迎來美麗的彩虹。杜剛正是通過這種艱苦枯燥的實驗觀測的方式，捕捉到了昆蟲飛行中的變形狀態(tài)，經(jīng)過計算，得出了雖然昆蟲在飛行中翅膀是變形的，但是影響并不大的最終結論。這一結果發(fā)表在《實驗生物學》和《理論生物學》等雜志上，反響頗為強烈。杜剛的這一研究結果等于解決了一個很重要的問題，在此之后，研究昆蟲的科學家們就不必再去考慮昆蟲飛行中的褶皺和變形問題了，相當于為這個領域的科研之路鋪平了一條之前困擾前行者的溝壑。

希望學生早日成材

杜剛另一個重要的身份是北航能源與工程學院的副教授，主講風能課。從葉片的設計到發(fā)電機到齒輪轉(zhuǎn)動這一系列理論的基礎，本是枯燥的理論課程被杜剛講得風生水起。他把風能和他的老本行飛機的空氣動力學結合在一起，本來講用來發(fā)電的風力機葉片，但是杜剛故意引導到飛機的機翼或者直升機的旋翼上去，用鮮活的實例替代冷冰冰的理論，讓學生們覺得新穎，聽起課來也覺得趣味盎然，同時杜剛這種獨特的授課風格也將那些簡單化的理論上升到了比較深的層次。

杜剛推崇用引導的方式來幫助學生積累解決問題的能力，提升他們的獨立性。作為本科生的班主任，杜剛基本采取的是“放養(yǎng)”的狀態(tài)，他笑稱自己“不愿意”去見他們，因為他不想像家長那樣整天在學生的耳邊嘮嘮叨叨指手畫腳，他希望培養(yǎng)學生自己做決定，自己想辦法，自己承擔后果，自己總結經(jīng)驗，不要一遇到困難就求助老師幫忙。杜剛對于學生的請求從來都是點到為止，這樣幾番下來，學生有了問題，自然會想辦法通過看書、查各種文獻、利用各種軟件以及和同學交流討論等形式來解決。

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

杜剛說，他這一生很幸運能在北航遇到很多大師級的學者，這些學者在當今浮躁的學術氣氛中和那些耀眼的“學術明星”相比，顯得默默無聞，但是他們卻很專注地安靜平凡地做著自己的科研。這對杜剛的影響非常之大，他認為，一所大學真正能流傳后世的東西，不是有多少大樓，多少獎狀，而應該是一種純真的學術精神和強大的學術力量。他希望自己也能夠把這種學術精神傳承給他的學生們。

魯迅先生曾經(jīng)說過，世間本沒有路，走的人多了，也就成了路。然而在科學的道路上，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，剛剛榮升為兩個孩子父親的杜剛最近忙得有點不可開交。生活、科研、教學以及和企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化合作，都滿滿當當?shù)嘏派狭巳粘獭５撬錆M了干勁，杜剛對記者說：“做事情的時候，只要是全身心的投入的話，是不會感覺到累的，相反，這些都是讓我非?？鞓返氖?！”