郑哲敏先生在爆炸力学领域是创建者和开拓者之一(受访人:谈庆明)
采访时间:2012年2月27日
采访专家:谈庆明
采访人:李和娣
李和娣:
谈老师,您好!您长期在郑先生身边工作,今天采访您,请您谈谈对郑哲敏院士的印象。
谈庆明:
好的。说起郑先生,我要谈谈他对爆炸力学领域及推动学科发展方面的贡献。郑先生的第一贡献是学科;第二贡献是他当了力学所所长前后十年,刚好是文化大革命以后重新恢复科研工作的十年,郑先生按照他的老师钱学森先生提出的工程科学思想办所,文革后在力学所恢复了科研工作。当时,在力学所有一部分是搞基础理论的,大部分是他带领大家恢复到为国家国民经济解决大问题的工程科学这个角度去做。在那十年里,的确是恢复了力学研究工作的方方面面,这是郑先生的第二方面的贡献;第三方面的贡献是他在全国推动了力学规划,宣传了工程科学思想,后来他当了中国科学院技术学部的副主任、主任,又在中国科学院的技术学部发挥了积极的作用。
郑先生在中国科学院技术科学学部里面有比他年纪大的院士,也有比他年纪轻的院士,他们都很佩服他!委托他来代表技术科学学部向中央写报告,向中央写中国技术科学发展战略报告。他在这种情况下,好几次拉着我去参加技术学部专家院士会议,专门来研讨这方面的问题,因为技术学部的院士都反映,希望我们国家重视技术科学,专家院士都感到很着急,所以委托他来代表大家起草文件,我们针对技术科学的方方面面进行深入的研讨,而且有分工、有负责,后来的情况我不太清楚。
李和娣:
我知道,郑哲敏院士在技术学部完成了此项工作,他在2000年6月参加了在京西宾馆召开的中国科学院第十次院士大会,他向大会报告了“中国技术科学和技术科学发展战略报告”(中央电视台有当时的视频记载) ,同时,还写了学术报告“技术科学的思考”,这两篇文章分别刊登在中国科学院正式出版的“21世纪中国科学技术发展战略报告”书中,以及中国科学院学部联合办公室“中国科学院第十次院士大会学术报告汇编”和“中国科学院第十次院士大会学术报告汇编(技术科学分册)”的文集中,中国科学院上报了国家相关部门。
谈老师,我想今天就请您集中谈谈郑先生在学科方面的贡献,尤其是爆炸力学学科领域中的流体弹塑性体模型当初是怎么提出来的?后来在实际应用中又是如何发挥作用的?
谈庆明:
郑先生在爆炸力学学科领域中的第一项贡献是爆炸成形的研究成果,第二项贡献是流体弹塑性体模型的提出和一系列应用,第三项贡献是流固耦合散体动力学的科研工作。我想着重讲流体弹塑性体模型的科研工作。
1954年底郑先生离开美国绕道欧洲,那是他才30岁。回来以后跟着钱学森创建力学所。当时在力学所,郑先生还没有被放在重要的位置上。后来是因为郑先生自己的科研工作做得很出色,出色了以后才使他承担重要的科研任务。
郑先生先接触的爆炸科研工作是有关部门主动请力学所来帮忙的,当时他们领导请我们力学所去协作。有关部门做空中爆炸试验,空气中炸药爆炸或者强爆炸以后在空气中所产生的冲击波的强度用测压仪测量,但是用他们的测压仪器不是太有底,希望力学所给予测量标定。力学所接受了科研任务,并很快完成了此项工作,这主要是力学所有技术积累的基础,我们曾经做过水下爆炸压力探头的测量,因此空中爆炸的测压仪获得很好的结果,很快完成任务,他们感到十分满意。
1965年由于我们爆炸力学的研究工作有了成绩,郑先生领导的科研集体研究工作得到了提升,科研任务更加重要了。我们承担了“219”任务,所长都不能干涉,当然在国家组建的专家组里面有郭永怀先生。
“219”研究任务下达到了力学所,防护工程研究组又找到了力学所,希望力学所能够利用从测量得到的强爆炸所产生的地震波的强度来估算预测地下强爆炸的TNT当量。
他们建议我们用“点源强爆炸模型”来估算,力学所郑哲敏和解伯民接受这任务后,两人经过商量,认为不能用那个模型。点源强爆炸模型只适用于空中强爆炸,因为空气的反压很小,而地下强爆炸发生在岩石中,反压很大,不能被忽略,因此不能用 “点源强爆炸”模型。
我们当时查了国外资料,他们用分区模型计算,在地下强爆炸的近区,由于爆炸压力太大,远远大于岩石的强度,岩石强度可忽略,可以近似把岩石当作流体,当冲击波传播一段距离后,强度衰减了,岩石的强度开始起作用了。因此,国外用分阶段分区的模型来计算,离开爆炸源的近区,把岩石当做流体,而在远区则把岩石当作固体。但是,分区的界线划在哪儿?人为因素太大,所以这种分区模型也不合理。
郑哲敏与解伯民两人商量如何避免人为划分流体区和固体区的做法。他们两人在流体力学、固体力学两个方面的基本功都非常好,后来干脆提出来一个新的模型,兼顾岩石所具有的流体的性质与固体的性质而形成一个统一的模型,这样就没有人为的分区问题,就自然而然从一开始的爆源附近,压力比较大的状态演化到冲击波传到远处慢慢强度衰减到压力比较低的状态,强度开始起作用了,自然而然地固体性质变得重要了,最后演化到岩石只是发生弹性变形。全部过程能够用这个模型来描述,这个模型被称为流体弹塑性体模型。
1965年郑哲敏和解伯民等提交了一个流体弹塑性模型的科研报告,用此模型后算的到底对不对呀?总要有比较,当时找到了国外发表的一个例子,人家有多大TNT当量,地震波是如何衰减的,我们用自己的理论模型核算这个例子,结果还是蛮符合的,而且用我们的这个模型,岩石的力学状态是连续变化的。当时力学所找到计算所李荫藩一起参加合作,请李荫藩用大型计算机合作做数值计算。工作一直到文革。文革开始后,科研工作受到影响,郑先生在文革期间受到了迫害,他顶着压力,将李荫藩送来的数据自己点图、整理、分析,最后研究组将两个重要研究报告交给了国防科工委。
郑哲敏先生提出了流体弹塑性模型中最重要的一个“无量纲数”,这个数很重要,当时国际上并没有提到这个数。这个无量纲数是两个量的比值,分子是压力,在爆炸问题中就是爆炸压力P,在冲击问题中则是冲击动压1/2ρv2;而分母则是爆炸或冲击对象(如岩石或装甲板)的强度Y,这个数正好反映矛与盾双方的强度比值,这个数后来国际上被称为“破坏数”。
这个数是郑哲敏先生在国内率先提出来的,我们都是从郑先生那里学到的。后来发现国外也注意到了这个数。国际上学术界是有惯例的,只要是你的的确确自己独立得到的研究成果,大家就公认。比如说,估算第一个原子弹TNT当量的点源强爆炸模型是泰勒最早提出来的,后来与前者晚了十年,但独立提出同样的理论模型是苏联的谢道夫,虽然时间上相差十年左右,但是,国际上承认估算原子弹TNT当量的模型是三个人泰勒、冯诺依曼、谢道夫,是非常尊重科学家的贡献。
郑先生完成这个工作以后,有关部门就应用了这个理论。就是用这个方案来估算的嘛,根据测量到的地震波强度,从近区到远区,来估算我国首次地下核爆炸的威力。
当时此项工作很重要,完成了以后提交了研究报告,并向他们做了详细的汇报。到了1982年评定国家自然科学奖时,相关单位对力学所“流体弹塑性模型及其在核爆炸与穿破甲方面的应用”的科研成果出具了书面证明,对郑先生等科研集体开展的爆炸力学科研工作有了很高的评价,此项科研成果荣获1982年国家自然科学二等奖。
举一个例子,1966年五机部52研究所的科技人员找到了我们力学所,据说现在有新的T72型坦克,它的炮能打穿对方的坦克,而对方却打不穿T72的装甲。我国的坦克和反坦克武器的研制处在重要的位置。郑先生对52研究所的来人说,这个问题理论上很复杂,但是可以做小型实验,用枪模拟炮就能模拟真实的效果。也就是说,可以确立一个用小弹打小靶的结果推算大弹打大靶的相似律。没多久,文革开始了,科研停止。等到文革结束以后,郑先生说马上恢复科研工作,开展穿甲、破甲科研工作,受到了五机部最大的两个研究所欢迎。
我还清楚地记得五机部有个田副院长非常敬佩郑哲敏。当时,田副院长对他们院里的人讲,力学所的郑哲敏先生来我们这儿做报告,很重要!很精彩!大家都要去认真听。因此,郑哲敏先生领导下的爆炸力学科研工作,不仅仅在学科、学报等方面做出了成绩,而且在国家急需的产业部门科研工作中得到了很好的应用和效益,因为我们的科技成果能解决国家急需的关键实际问题。
再举一个例子,比如产业部门正在研究一种表层特别硬的合金钢材料,这种材料表面要硬,但是韧性还要强,这样一种复合性质的材料,那么我们认为这种材料没有必要研究,因为刚才我们说的那个破坏数很重要。实际上破甲弹射流刚刚打到靶板表面,冲击压力特别高,比靶板材料的强度大得多,强度完全可以忽略,表层做得再硬也没用,而这倒给冶金相关方面的人出了难的课题。实际上表面材料强度根本不起作用,主要靠密度,要等到弹钻进靶的里面,强度才起作用。也就是说,这个无量纲数破坏数“ρv2/Y”很大,开始打上去动压这个分子很大,而分母是强度Y,却很小,不必在冶金制造时花很大力气去增大Y。这个无量纲数爆炸力学认可,全世界都这么讲。再后来力学所郑哲敏等科技人员1982年获得国家自然科学二等奖。
刚才所说的无量纲数很重要啊,我们是从郑先生那里学到的,当时大家都说:是否该把这个数称作“郑哲敏数”。郑先生他很谦虚、低调,他连忙讲:不能叫,不能叫!后来过了十几年以后,国际上称这个数为 “Damage number ”数。到了八十年代,居然有人称为Johnson数。现在国际上还称呼它是“Damage number ”,我认为该是中国人的,就是中国人的,就是有这么一段历史。
后来我们的模型继续使用在坦克装甲和反坦克弹的研究方面,做了各类情况的机理研究,并得到了相应的模型律,并且促使了靶道试验法在全国的推广和应用。
郑先生的科研成果不管是我们领导部门也好,科学界也好,都认可,而且美国人也很认可。1991年美国工程科学院写信给郑先生,第一句话写道:因为您在爆炸力学理论与应用方面的贡献,我们美国工程科学院选举您为外籍院士,希望您能接受,如果您能接受,请在某年某月到某地来开会。
此前,“爆炸力学”在国外没有这四个字,这四个字是钱学森所长命名的。因为在60年代初,我们搞成了爆炸成形,把火箭里面的重要的部件(喷管)用我们研究成功的爆炸成形新工艺给做出来了。钱学森所长非常高兴,说一个崭新的学科开始了,叫爆炸力学。所以这四个字虽然是钱学森先生提出来的,但是美国人也在上述聘书中用了,说明他们也认可。
郑先生在这个爆炸力学领域是创建者和开拓者之一。
那当然是!在他前面有两个人,一个是钱学森,一个是郭永怀,他们是提倡人;但是真正具体在做爆炸力学的学科研究,则是郑先生领导大家一起做的。第一个方面是爆炸加工的理论和应用,第二个方面是流体弹塑性体模型的提出和应用,第三个方面是原来的固体后来分解演变成了流固耦合散体动力学的研究和应用,这第三个也非常重要。郑先生一辈子的科研工作都是按工程科学思想去做的,选择国家和社会急需的关键问题作为研究课题,通过研究,最终真正能解决实际的工程技术问题,同事也丰富和开拓了力学学科。郑哲敏先生在爆炸力学领域是创建者和开拓者之一。
本稿来源于“郑哲敏学术成长资料采集工程”,谈庆明研究员口述,李和娣研究员采访成文。