解开爆炸的力学密码

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  提要:我从过去走到现在,并没有什么清晰的路线。但有一点是确定的,那就是富国强民的愿望
  从北京黄庄小区到中科院力学所,这条从家到单位的路,他一走就走了56年。而今,虽已米寿之年,只要身体状况好,他依旧会步行上班。
  在中科院力学所,也许你会经常看见这位准点到三楼上班的忙碌身影。他,就是中国爆炸力学的奠基人与开拓者之一的郑哲敏。
  从顽童到负笈少年
  1960年,中科院力学所,一个小型爆炸成形实验正在进行。科研人员屏息静气,只听“砰”的一声,一块5厘米长宽,几毫米厚的铁板被单发雷管炸成一个小碗。大家欢呼雀跃。所长钱学森兴奋不已,拿着小碗给大家看:“可不要小看这个碗,我们将来卫星上天就靠它了。”
  随之,在中国,一个新兴的专业就此诞生,钱学森起名为“爆炸力学”。其创始人便是钱学森的得意门生郑哲敏。
  与爆炸力学结缘,并非刻意的人生规划。“我从过去走到现在,并没有什么清晰的路线。但有一点是确定的,那就是富国强民的愿望。”
  冥冥之中,郑哲敏与力学似乎也有不解的缘分。郑哲敏出生于商人家庭,因为父亲在山东经营亨得利钟表,他小时候就喜欢拆表拆钟,摆弄各种光学仪器。
  在郑企静童年的记忆中,二哥郑哲敏是一个活泼甚至有点淘气的顽童,并非一天到晚死读书,而是兴趣广泛,爱好音乐,最喜欢吹口琴、唱京剧。“他在家排行老三,点子多,是我们的领头人,一到冬天,他打来井水,撒在自家院子结成薄冰,他领着兄弟姐妹在‘人工冰场’溜冰,好开心。”
  8岁那年,父亲与郑哲敏聊天,语重心长说道:“你长大以后不要像我一样做生意,要念书做学问。”他还教导郑哲敏,做人要诚实、实在,要凭实力。在父亲影响下,郑哲敏兄妹也都一生刚正不阿,一心向学,并学有所成。
  1938年,郑哲敏读中学。期间因身体不好休学在家,父亲让他看《曾国藩家书》。他学到了很多做人的道理,确立了做人的底线。家里还请老师教他学英语。郑哲敏自学了英文原版的欧几里得,书中严密的逻辑推理给郑哲敏很大的影响。他自此就迷上了数学、物理,并由此进入到科学的殿堂。“打那以后,成绩就好了,学习也很轻松。”
  童年,有美好的记忆,也烙下了历史的阴影。日本侵华后,郑哲敏一家都生活在频繁轰炸的恐怖中。一次郑哲敏在路上捡子弹壳,突然遭到一个拿步枪的日本兵的追赶,他吓得一路狂奔逃命。从此,这一幕就成为他经常出现的梦魇。初中填报志愿时,郑哲敏就立下两个志愿:一是当飞行员,打日本鬼子;二是当工程师,实业救国。
  1943年,郑哲敏中学毕业后考入西南联大电机系。郑哲敏有幸见到了梅贻琦等知名教授。虽然没有亲聆教诲,却受到潜移默化的影响。例如梅贻琦走路从不抄近路,按规矩办事,遵守纪律;联大有各种各样的集会,大家各唱各的调,科学和民主气氛很活跃;老师教书认真负责,一板一眼。“这些大师,在心中是一种榜样标志,一种人格的代表。”郑哲敏回忆道。
  抗战胜利后,西南联大回迁,郑哲敏在北平(北京)清华大学机械系学习。毕业后,便留校做钱伟长教授的助教。1948年,经四级选拔,同时在梅贻琦、陈福田、钱伟长、李辑祥等人的推荐下,郑哲敏脱颖而出成为全国唯一的一名“国际扶轮社国际奖学金”获得者,赴美学习。
  钱伟长为他写了留学推荐信:“郑哲敏是几个班里我最好的学生之一。他不仅天资聪颖、思路开阔、富于创新,而且工作努力,尽职尽责。他已接受了工程科学领域的实际和理论训练。给他几年更高层次的深造,他将成为应用科学领域的出色科学工作者。”
  23岁的郑哲敏,背起行囊,负笈留学。他来到美国加州理工学院,师从钱学森先生,攻读博士学位,郑哲敏有机会聆听许多世界著名学者的课程或报告,尤其受钱学森所代表的近代应用力学学派影响很深:着眼重大的实际问题,强调严格推理、表述清晰、创新理论,进而开辟新的技术和工业。这也成为郑哲敏后来一生坚持的研究方向和治学风格。
  他还接受冯卡门、钱学森等应用力学学派的思想精髓:应用自然科学的基础理论,探索工程基本规律,形成工程理论,进而产生新技术解决工程难题。
  日内瓦会议后,美国移民局取消了对一批留学生不得离境的限制,郑哲敏成为首批回国的留学生。离美之前,恩师钱学森为他送行。他请教:回国后干什么?钱先生说,国家需要做什么,你就做什么。不一定是尖端的,哪怕是测量管道水的流动也可以做。
  1954年9月26日,郑哲敏从纽约乘船离美,途经欧洲辗转近5个月,于次年回到了阔别6年半的祖国。
  半个世纪后,总有人问他“当时为什么回来?后悔过吗?”在郑哲敏看来,这不是个问题:“没有想过不回来。这是长在骨子里的东西。虽然美国物质生活很好,但感觉像浮萍,没有根的感觉。”
  没见过雷管的书生到爆炸力学专家
  爆炸的机理就是能量的快速释放和有效的控制。爆炸现象在自然和人类历史中经常出现,如宇宙大爆炸、战争轰炸等。爆炸力学就是研究爆炸能量的传播规律、力学效应及其控制方法与定量应用。在高速冲击和爆炸荷载作用下,固体材料流体化,有了新的材料特性,既是固体又是流体,既非固体也非流体。描述介质的新特性,传统的固体流体力学方程不够用了,郑哲敏花费近三年时间,深入研究爆炸力学新的理论,阐明基本规律。
  爆破成形的小碗,就是最早的实验模型。在这之前,郑哲敏是连雷管都没见过的书生,但他心中一直谨记并践行着老师的话--“祖国的需要就是我的专业”,白手起家,着手研究。上个世纪60年代,利用爆炸成形研究,郑哲敏团队成功制造出高精度卫星火箭部件。
  郑哲敏还接受判断地下强爆效应的科研任务,建立了流体弹塑性理论。该模型将爆炸及冲击荷载作用下介质的流体、固体特性及运动规律用统一的方程表述,堪称爆炸力学的学科标志,可准确预测地下强爆炸试验压力衰减规律。他和同事在山沟沟一干就是几年,为该项研究工作理论计算和数字模拟做出了开创性的工作。
  1969年前后,郑哲敏和研究集体花了近10年时间进行穿破甲机理的研究,拓展了流体弹塑性理论,他提出用子弹打钢板的办法研究炮弹打装甲的规律,通过准确计算,能够让武器在精确的规定距离里打透相应厚度的装甲。
  郑哲敏还在爆炸焊接理论和应用研究中,揭示了爆炸焊接机理,奠定了爆炸加工工艺的基础。产业部门就此开发出新工艺,形成中国人自己的技术。数十年后中国是全世界最大的爆炸加工国家,成为爆炸加工产品的出口国。
  上世纪80年代,国家急需港口建设,又有产业部门找上门来。建港首先需要处理构筑防波堤下的海底淤泥层,如用挖泥船,需要挖泥、填石两步工序,不仅工期长,耗资大,而且形成回淤导致不安全。
  郑哲敏提出:用炸药爆炸扰动淤泥,降低淤泥强度,堆石体靠自重作用下滑。这样,排淤和推填石料同时进行,提高了效率,工艺简单,工期缩短1/3,节约成本1/4。爆炸处理水下软基技术纳入国家规范,目前已经能够处理厚度30米以上的淤泥,成为无可替代的技术。
  近些年来,郑哲敏还将爆炸力学研究应用于煤与瓦斯突出机理、纳米压痕标度、三峡三期围堰爆炸拆除等。
  1956年至2004年的半个世纪,郑哲敏一直是我国力学学科的组织者和领导者。他长期主持力学学科发展规划的制定,倡导建立了多个新的力学分支学科,他提出的流体弹塑性理论,是当今爆炸力学的基本模型。(来源:中国科技网)
  档案
  郑哲敏,中国著名力学家、爆炸力学家。中国科学院院士,美国工程院外籍院士,中国工程院首届院士。1947年,毕业于清华大学。1952年,获美国加州理工学院博士学位。早期在水弹性力学研究中取得成就。长期从事固体力学研究,开拓和发展了我国的爆炸力学事业。2013年1月18日,荣获2012年度国家最高科学技术奖。
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