力學專家鄭哲敏

2009-01-01 00:00:00大家

走近科學 2009年2期

力學專家鄭哲敏院士，在半個世紀前開創了“爆炸力學”專業，這在當時是絕無僅有的。但今天在中國科學院力學所的專業目錄上，已沒有了這個專業，正是這樣一個專業的創立與消失，引起了我們對鄭哲敏院士的興趣（圖1）。

⑴力學專家鄭哲敏

1960年秋天的一個下午，中科院力學所的籃球場上進行了一次爆炸實驗。當硝煙消散之后，一片薄鐵板被炸成了一個小碗，引發了一陣歡呼。這是鄭哲敏和他的同事做的一次“爆炸成形實驗”，參加這次實驗的錢學森和郭永懷興奮不已。錢學森激動地拿著這個小碗繞場一周，給大家看。他知道，一個他寄予厚望的新專業即將誕生，而他的得意門生鄭哲敏，則是創建這個專業的最佳人選（圖2）。

⑵在錢學森指導下做“爆炸成形試驗”

主持人:爆炸力學，是一個獨立學科，但這個學科國外沒有。

鄭哲敏:沒有這個稱呼。

主持人:您是在國內的工程實踐當中，創立的這樣一個學科。

鄭哲敏:這個學科的名字是錢學森起的。他說應該叫爆炸力學。

“爆炸”原本與鄭哲敏的專業毫不相干，回國之前，這位畢業于加州理工學院的力學博士連炸藥和雷管都不曾見過。作為錢學森的得意門生，鄭哲敏本來已經在彈性力學的研究領域嶄露頭角，但在老師的影響下，他一畢業就作出了回國的決定，放棄了在美國的前途。

主持人:為什么那個時候，要作出這樣一個決定，一定要回來？

鄭哲敏:我這個思想基礎，從最根兒上來說，還是我們從小受到的愛國主義的教育，富國強民是最重要的。在異國他鄉，總覺得像浮萍似的。

主持人:所以對你來講，回國是唯一的選擇。

鄭哲敏:對。也想家，想我的小妹妹。再說，我不回來，對祖國是什么態度（圖3）？

⑶擺脫扣留與控制，一定要回到祖國去

1955年2月，31歲的鄭哲敏終于擺脫了美國政府的扣留與控制，踏上了祖國的土地。他對將要從事什么工作并沒有明確的想法，只記得仍處于軟禁中的導師錢學森與他臨行前的那次談話。

鄭哲敏:當時他也對國內的情況不夠了解，所以談到國內需要的時候，他說回去吧，國家需要什么就做點什么。

主持人:就等于給您種下了這種意識。

鄭哲敏:印象挺深的。

主持人:就是回去以后按照國家的需要做事。

鄭哲敏:對。

上世紀50年代的中國百廢待興，正需要鄭哲敏這樣的人才參與工業建設。1955年秋天，錢學森也終于回到了祖國，創建了中國科學院力學所，鄭哲敏開始在他的領導下展開工作。當時，我國工業面臨的一個棘手問題是缺少萬噸水壓機，無法把加工工藝水平提高上去。鄭哲敏認為，既然爆炸能夠在瞬間產生巨大沖擊力，何不利用這種力量，把需要的零件痛痛快快地炸出來呢？

鄭哲敏:那時候要求工作必須聯系實際，要下工廠啊。所以我們找到北京汽車廠，北京汽車廠是把薄鋼板沖壓成車罩、行李箱蓋、燈罩。大家熱情挺高的，到工廠的時候，我說給你們炸一個后箱蓋。

主持人:炸一個后箱蓋，這種爆炸成型的方式國外有嗎？

鄭哲敏:有，我們的想法是受國外的啟發。但那時候干得有些盲目，看得非常容易。以為做一個模具，把板材鋪上，底下是空的，上面放上炸藥，擱上水，用水來傳遞炸藥的威力。爆炸力很厲害，以為一炸就行了。實際呢，那個鋼板就像塊布一樣被炸得稀巴爛。

主持人:炸爛了？

鄭哲敏:就是有些盲目了，需慢慢摸索。后來用抽真空辦法，慢慢學會怎么做了。但要把汽車零件炸出來，達不到他們要求的精度。

鄭哲敏痛定思痛，回到力學所實驗室里苦心鉆研，試圖摸清爆炸成形的基本規律。當時，我國正在緊鑼密鼓地進行“兩彈一星”的研制工作。由于加工工藝落后，火箭里很多形狀特殊的關鍵零件很難制造出來。即使造出來了，也達不到要求的精密度。這成了火箭上天的一大障礙，也成了鄭哲敏最迫切需要解決的問題。

鄭哲敏:給我們下達了任務。用爆炸成型的辦法，制出火箭的零部件。錢先生讓我們先做出模型，再把零件做出來，同時要把規律找出來。當時我們沒有多少資金，也沒有好的儀器來測算。因為爆炸時間是以毫秒計算的，千分之幾秒就完成了（圖4、5）。

⑷艱苦創業

⑸艱苦創業

主持人:瞬間完成了。

鄭哲敏:把這個瞬間的過程測下來有一定的難度。壓力呢，水里面的壓力挺大，幾千個大氣壓，把它測下來，難度也挺大。錢先生當時要求很高，三年以后就要開一個國內會議，要出來講講。

主持人:要作為成果。

鄭哲敏:我們也挺幸運，正趕上，做完了。

經過1960年到1962年三年努力，鄭哲敏他們闡明了“爆炸成形”的主要規律，并和工業部門合作，生產出技術要求很高的火箭零部件，使“爆炸成形”成為以科學規律為依據的新工藝，因而獲得1964年全國工業新產品一等獎。

?主持人:當時做的最好的、最尖端的是什么？

鄭哲敏:總結我們的工作經驗，提高了對爆炸成形的認識，就提出搞慣性模。這個辦法一些部門都使用，好幾種工藝都使用，一下子就能完成。打個洞呀，彎個邊呀，成個型呀，一下子就完成了。我們主要是幫助他們計算藥量，炸多大的零件，需要多少藥，放在什么位置上，總結出一個比較簡單的辦法。

主持人:那時候您為航空、航天包括核試驗，做了很多服務性的工作。

鄭哲敏:我們都是做外圍工作的。

主持人:您那時候知道為這些工程做服務嗎？

鄭哲敏:知道，有的密級還挺高的。

提起爆炸，人們往往首先聯想到戰場上的炮火硝煙，以及原子彈、氫彈的巨大威力。除了用于工業建設之外，鄭哲敏的爆炸力學在國防軍工方面也扮演了重要的角色。1965年，鄭哲敏和同事解伯民與國外同時獨立地提出了一種新的力學模型——流體彈塑性模型，并用它來模擬分析炮彈的穿透力和殺傷力。1971年，中蘇珍寶島沖突爆發后，這個模型派上了更實際的用場。

鄭哲敏:珍寶島事件后，發現蘇聯有一個新的穿甲彈彈種，特別厲害，叫作次口徑彈。這種彈有個彈托，彈托跟口徑一樣大，但是彈頭是細的。所以能量就集中在細彈上了，它的速度特別快。過去的穿甲彈每秒鐘六七百米就很不錯了，它能夠達到每秒1.2公里、1.3公里（圖6）。

⑹穿甲彈爆炸原理示意圖

主持人:速度越快，沖擊力越大。

鄭哲敏:能量越大，能量密度越大。所以我們需要有新的裝甲，來防御這些東西。

通過對穿甲彈作用機理的力學分析，鄭哲敏提出，通過改變坦克裝甲的外形和材料，來加強它的防御能力。與此同時，鄭哲敏還參與了對另一種炮彈——破甲彈的研究。

鄭哲敏:我自己參與多一點的是破甲彈。

主持人:穿甲彈和破甲彈的區別是什么？

鄭哲敏:你看咱們解放軍戰士，背著一個帶尖頭的筒，那就是破甲彈。

主持人:像火箭彈一樣。

鄭哲敏:后邊是個火箭，推著筒往前走，它里頭不是一個實心彈，前頭是空的，前頭是一個罩。再后邊是一個錐，再后邊是炸藥。炸藥一炸，就把那個錐壓癟了。產生一個射流，很細的一股東西，也就是幾個毫米的直徑。但是速度呢，比穿甲彈快得多。穿甲彈1公里多，它能打到7公里（圖7）。

⑺破甲彈“射流”原理示意圖

主持人:就是所有的壓力都從那兒出去。

鄭哲敏:對。這個破甲彈很好，但是有一個問題，它腦袋走得快，尾巴走得慢，所以越拉越長，越長打得越深，但是一長它就要斷。我們分析判斷，如果一斷，威力就差了。我們可以說明為什么差，差的原因，以及它什么時候會斷。我們有所發現，新的發現。

主持人:算出它的威力，就意味這我們的防護裝甲，應該多厚，或者是什么形狀。

鄭哲敏:對，怎么來對付破甲彈。

經過10年努力，鄭哲敏先后解決了穿甲和破甲相似律、破甲機理、穿甲簡化理論和射流穩定性等一系列問題。其中“破甲機理研究”獲1978年全國科學大會獎，“流體彈塑性模型及其在地下核爆炸和穿破甲方面的應用”獲1982年國家自然科學二等獎。獲得這些榮譽的同時，鄭哲敏的研究重點再次發生了轉變。當時正值改革開放初期，剛剛復蘇的國民工業建設進行得如火如荼。很快，建設部門的人就找鄭哲敏來求援了。

鄭哲敏:上世紀80年代中期，連云港來找我們，他們要修一個海堤，長6.7公里，把一個島跟港口連起來。工程造價是1.56億元，就干不下來了。

主持人:為什么呢？

鄭哲敏:連云港的淤泥特別深，用傳統的施工辦法必須使用挖泥船，而且一定要挖干凈才行。

主持人:當時用挖泥船解決不了。

鄭哲敏:成本也太高。最后我們用爆炸的辦法搞成了，并在全國推廣。

主持人:怎么做的呢？

鄭哲敏:就是一邊向海里堆石頭，一邊在石頭堆前邊炸了，石頭一下子就垮下去，就自動填進去了。

主持人:一下子把石頭、淤泥坐實了。

鄭哲敏:哎，坐實了！連著一邊拋石一邊炸，一邊往前走，成了一個壩。縮短了工期，節約了建造費用。我們爆破組獲得了國家科技進步二等獎。

爆炸是一把雙刃劍，它既能承擔建設工作，也能造成嚴重的破壞，奪走很多生命。對于爆炸引發的工業災害，鄭哲敏向來十分關注。從1980年開始，頻繁發生的煤礦瓦斯突出事故，引起了他的注意，他主動承擔起了這個研究課題。

曲向東:瓦斯突出是什么意思？。

鄭哲敏:是煤里邊憋著一股氣，習慣稱作“瓦斯”。你把煤層挖開了，那些氣體就把煤推出來了，連氣帶煤一塊兒出來了，把設備，把人全砸在里頭了。

主持人:情況有點像爆炸似的。

鄭哲敏:有點兒類似。現在煤越采越深，地壓越來越大。事先沒有探清楚，不了解地質情況，貿然地開采，或者開采不得當，災難就會發生了。

早在1956年，他參加了錢學森主持的第一次全國力學規劃的制訂工作。1977年，他主持制訂了中國科學院的“力學發展規劃”。1978年，他組織了制定全國力學規劃的工作。直到今天，他還在中國科學院力學所里，擔當著科研指導的角色。盡管爆炸力學這個專業已不存在，但鄭哲敏為之付出的半生努力，卻贏得了國內外的廣泛認可。1993年他意外地接到了一封美國來信。信上說，由于他在爆炸力學領域的成就，他被美國國家工程院授予外籍院士身份，成為獲得這一榮譽的第三個中國人。盡管如此，回顧自己的一生，鄭哲敏還是感到并不完滿（圖8）。