【簡(jiǎn)介：】沈元的專業(yè)是空氣動(dòng)力學(xué)?？諝鈩?dòng)力學(xué)是一切飛行器在大氣中飛行的理論基礎(chǔ)，也是設(shè)計(jì)飛機(jī)的基本理論依據(jù)。在倫敦大學(xué)，沈元選擇了一個(gè)在當(dāng)時(shí)航空發(fā)展上具有關(guān)鍵意義的課題，他的研

沈元的專業(yè)是空氣動(dòng)力學(xué)?？諝鈩?dòng)力學(xué)是一切飛行器在大氣中飛行的理論基礎(chǔ)，也是設(shè)計(jì)飛機(jī)的基本理論依據(jù)。在倫敦大學(xué)，沈元選擇了一個(gè)在當(dāng)時(shí)航空發(fā)展上具有關(guān)鍵意義的課題，他的研究工作，集中在解決飛機(jī)從亞音速向音速逼近時(shí)的空氣動(dòng)力問(wèn)題。
40年代中期，航空科學(xué)技術(shù)面臨著革命性的變革。這個(gè)新的突破有兩個(gè)特點(diǎn)，一是飛機(jī)的動(dòng)力裝置從活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)向噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展；二是飛機(jī)的速度由亞音速向超音速?zèng)_擊，這兩個(gè)特點(diǎn)又互相關(guān)聯(lián)。沒(méi)有噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，飛機(jī)不寇達(dá)到超音速；而沒(méi)有飛機(jī)外形設(shè)計(jì)方面的重大改進(jìn)，有了噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，也不能突破阻力的障礙，研制出超音速飛機(jī)。因此，使飛機(jī)的外形適應(yīng)提高速度的要求，就是擺在空氣動(dòng)力學(xué)研究人員面前重要的理論課題。沈元的研究工作，正是針對(duì)解決這方面的問(wèn)題進(jìn)行的。
沈元抵達(dá)英國(guó)的時(shí)候，第二次世界大戰(zhàn)進(jìn)入后期。當(dāng)時(shí)的戰(zhàn)斗機(jī)，最大速度約每小時(shí)700公里。要進(jìn)一步提高速度，就碰到所謂“音障”問(wèn)題。音障是在氣流的速度接近音速時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生的，這時(shí)飛機(jī)受到的空氣阻力急劇增加，嚴(yán)重的還將導(dǎo)致機(jī)毀人亡的事故。聲音的速度在海平面為每小時(shí)1223公里，在11000米的高空是每小時(shí)1062公里。時(shí)速700多公里的飛機(jī)，迎面氣流在流過(guò)機(jī)體表面的時(shí)候，由于表面各處的形狀不同，局部時(shí)速可能比700公里大得多。當(dāng)飛機(jī)再飛快一些，局部氣流的速度可能就達(dá)到音速，產(chǎn)生局部激波，從而使氣動(dòng)阻力劇增。
沈元的研究工作，就是要從理論上探討處在高亞音速氣流中的物體，在什么情況下會(huì)出現(xiàn)怎樣的局部超音速和激波。從事這項(xiàng)研究，為了做出流體速度圖，要做大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算。當(dāng)時(shí)電子計(jì)算機(jī)還未問(wèn)世，在一年多時(shí)間里，沈元依靠手搖計(jì)算機(jī)，進(jìn)行大量繁雜的計(jì)算，付出艱苦的勞動(dòng)，終于對(duì)圓柱體在高速氣流中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得出了很有價(jià)值的成果。
1945年夏天，沈元的博士論文《大馬赫數(shù)下繞圓柱的可壓縮流動(dòng)的理論探討》通過(guò)了答辯，在倫敦大學(xué)接受了哲學(xué)博士的學(xué)位。他的論文用速度圖法證實(shí)了高亞音速流動(dòng)下，圓柱體附近極限線的存在，從理論上和計(jì)算結(jié)果上證實(shí)了高亞聲速流動(dòng)下，圓柱體表面附近可出現(xiàn)正常流動(dòng)的局部超聲速區(qū)。它揭示出只有在氣流馬赫數(shù)增加到一定數(shù)值時(shí)，圓柱體表面某處流線才開(kāi)始出現(xiàn)來(lái)回折轉(zhuǎn)的尖點(diǎn)，這時(shí)正常流動(dòng)才不復(fù)存在。這一研究結(jié)果啟示了在繞物體（如機(jī)翼）的高亞音速流動(dòng)中，如馬赫數(shù)不超過(guò)某一定值，就可能保持無(wú)激波的、含有局部超音速區(qū)的跨音速流動(dòng)。它針對(duì)當(dāng)時(shí)高速飛行接近音速時(shí)產(chǎn)生激波的問(wèn)題，從理論上探討無(wú)激波跨音速繞流的可能性。第一次從理論計(jì)算上得出高亞音速繞圓柱體流動(dòng)的流線圖，得出速度分布，以及在某一臨界馬赫數(shù)以下，流動(dòng)可以加速到超音速而不致發(fā)生激波的可能性。通過(guò)這方面的研究，可以掌握高速氣流的規(guī)律，了解機(jī)體形狀和產(chǎn)生激波阻力之間的關(guān)系，探索是否可能讓飛機(jī)在無(wú)激波的情況下接近音速，從而為設(shè)計(jì)新型高速飛機(jī)奠定理論基礎(chǔ)。這個(gè)成果，雖然帶有近似性，但在沈元之前，還沒(méi)有人從理論上算出來(lái)，因此是一項(xiàng)首創(chuàng)性的成果。根據(jù)這項(xiàng)研究成果寫成的學(xué)位論文，獲得答辯委員會(huì)的很高評(píng)價(jià)，被推薦在英國(guó)皇家航空研究院第9873號(hào)報(bào)告上發(fā)表。沈元本人被接納為英國(guó)皇家航空學(xué)會(huì)副高級(jí)會(huì)員。
這項(xiàng)研究成果，在論文正式發(fā)表之前，就引起國(guó)內(nèi)外航空界的注意。1945年9月，當(dāng)時(shí)已經(jīng)享有盛譽(yù)的物理學(xué)家周培源，到巴黎出席國(guó)際應(yīng)用力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議，特地從法國(guó)趕到英國(guó)，通過(guò)中國(guó)駐英使館找到沈元，向他了解這項(xiàng)研究的情況。英國(guó)著名空氣動(dòng)力學(xué)家戈德斯廷博士應(yīng)邀到美國(guó)麻省理工學(xué)院講學(xué)，曾經(jīng)介紹了沈元的這項(xiàng)成果。英國(guó)賴特希爾教授（后來(lái)是皇家航空研究院的院長(zhǎng)）1947年在英國(guó)最高的學(xué)術(shù)刊物《皇家學(xué)會(huì)會(huì)志》上發(fā)表的文章中也引述了沈元論文的結(jié)論。一直到50年代，英國(guó)著名學(xué)者豪沃思出版的兩卷集著作《近代流體力學(xué)發(fā)展高速流動(dòng)》一書(shū)中，還詳細(xì)談到沈元十幾年前做的工作及成果?？梢哉f(shuō)，沈元的研究成果對(duì)當(dāng)時(shí)航空科學(xué)在高亞音速領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展，起到一定的推動(dòng)作用。沈元取得哲學(xué)博士學(xué)位后，在英國(guó)又住了一年，主要是到以生產(chǎn)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)著稱的羅伊斯?羅爾斯公司考察技術(shù)。