百年清华

郑哲敏:力学家的报国之“力”

2021-11-30 | 魏宇杰 周德进 | 来源 《学习时报》2021-10-20 |

郑哲敏(1924.10.22021.8.25),著名力学家、爆炸力学专家。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。擅长运用力学理论解决工程实际问题,提出了流体弹塑性体模型和理论,并在爆炸加工、岩土爆破、核爆炸效应、穿甲破甲、材料动态破坏、瓦斯突出等方面取得重要成果。倡导海洋工程力学、材料力学性能、环境灾害力学的研究,创建了中国科学院力学研究所非线性连续介质力学实验室,为推动我国力学事业的发展作出了突出贡献。1980年当选为中科院院士,1993年被选为美国工程院外籍院士,2012年度荣获国家最高科学技术奖。

1955年春,当火车从九龙驶入罗湖,郑哲敏看着那高高悬挂的五星红旗,忍不住心头激荡、热泪盈眶,游子终于回到了祖国母亲的怀抱!尽管对祖国的现状和未来自己的科研有很多的未知,但郑哲敏深知,他再也不会寄人篱下,像浮萍漂在水面。从此刻开始,他将为自己的国家和这片土地上的人民奉献自己的每一滴汗水。

承国家之志

时间回到192853日,年仅4岁的郑哲敏就在济南“五三”惨案的逃难过程中经历了和家人失散之痛。有一次,地上的子弹壳引起了他的兴趣,于是弯腰去捡,突然边上一个端着刺刀的日本兵举枪向他冲过来。直到30多年后,被日本兵端着闪亮的刺刀追杀的场景仍不时出现在郑哲敏的噩梦中,也因此在年幼的郑哲敏心中埋下了强国富民的种子。1948年,怀着科技兴国的梦想,郑哲敏在钱伟长、陈福田、李辑祥等先生的推荐下,受扶轮社奖学金的资助,获得了到加州理工学院留学深造的机会。此年818日,在家人的祝福与依依惜别中,郑哲敏从上海十六铺码头出发,开始了他历时6年多的留学生活。

郑哲敏到加州理工学院机械系1年后获硕士学位,1952年又取得博士学位。他的论文题目是与导师钱学森讨论后确定的,研究的是当时正在迅猛发展的高速飞行和喷气推进所引起的结构物受热的抗力问题。

通过钱先生的指导和自身多年的科研实践,郑哲敏形成了技术科学研究的基本方法:一是针对所研究的问题,首先要明确难点,明晰其中的概念,明确所采用的假设。立题的概念不清楚是不能接受的,假设越少越好,且必须一清二楚,模糊不得。二是其次才涉及具体的方程和计算方法,方法有高低之分,最重要的是必须得到可信的结果。三是结论必须根据结果得出,要掌握分寸,如有必要和可能,还要有实验的验证。四是不允许说缺乏根据的话。对所得结果的意义和应用价值,可加以说明,但务必不能夸大其词。五是特别需要留意结果出现转折的情况,因为这标志着问题的性质发生了质的变化,一定要设法找到背后的机制,并考虑这种机制是否可以加以利用。在之后长达60多年的科研与教学实践中,郑哲敏严格践行了这些科学研究的基本方法。从今天来看,这些原则也正是我们各个领域的科技工作者在工作中需要践行的。

1949年新学期开始,郑哲敏积极参加了在加州理工学院成立的留美科学工作者协会分会。主要目的是动员留在美国的我国科学工作者学成回国或以自己的方式为即将成立的新中国作贡献。郑哲敏等还专门组织讨论,看大家能为解放后的新中国做些什么,并明确提出早日学成回国的希望,也因此促成了1950年一批加州理工学院的留学生回国。

就在获得博士学位不久,郑哲敏被移民局以莫须有的罪名关押。后经好友冯元桢保释出狱,但移民局仍禁止郑哲敏离境,他的护照也被移民局扣押,变成了一个没有合法身份的人。所幸加州理工学院机械系允许郑哲敏继续留在系里教书。19547月,郑哲敏收到移民局来信,通知他须尽快在927日前离境。

6年的求学与科研生活,尽管历经波折,但为郑哲敏以后从事的科学研究打下了坚实的基础。回国前的一个晚上,钱学森在家中为郑哲敏饯行。钱学森特别嘱咐了两件事:一是关于郑哲敏回国后的工作,建议像他这样受过系统力学训练的人,国家需要他做什么就做什么。即使国家需要做的是非常简单的事,例如管道流的阻力计算,也应当努力去做好。二是对于社会主义国家,运筹学特别需要,将在国家建设中发挥积极的作用。因此要郑哲敏回国后把这个意见转告钱伟长。

急国家之需

1955年春回国后,郑哲敏在工作志愿表上郑重填上了中国科学院数学研究所力学研究室。在这期间,郑哲敏进行了一次西北之行、参加了全国科学规划,这对他的影响非常大。西北之行,使得郑哲敏了解了大西北地貌的雄伟粗犷和人民的憨厚坚毅;辽阔荒芜的黄土高原,由于干旱缺雨给人民生活带来的艰苦,使他受到深刻的教育,感到了作为一个中国人身上的责任。这些经历是郑哲敏不断鼓励年轻人研究泥石流灾害和环境力学的原因。

1956年,作为钱学森所长的秘书,郑哲敏在西郊宾馆参加编写了《19561967年科学技术发展远景规划纲要》,《纲要》中的力学部分是很长一段时间我国力学研究任务和学科发展的纲领性文件。

早期郑哲敏的研究多数是解燃眉之急。他解决了刘家峡重力式高坝抗震的力学问题,鉴于当时不具备数值解法的条件,通过采用以实验为主的路线,得到了高坝流固耦合振动的自振频率,并得出了作用于刚性坝面的总作用力随顶角变化的关系。这一工作,连同郑哲敏之前关于连续板和圆筒与水的耦合振动的文章,在我国早期水弹性力学领域作出了开拓性贡献。

随着工作机会变多,涉及的领域变宽,进一步增强了郑哲敏的主人翁意识:因为这是他的祖国,无论做什么事,都是在为自己的国家和人民工作,工作也就有了意义,这种主人翁精神成为郑哲敏毕生努力拼搏的无穷动力。

报国家之力

回国不久,郑哲敏便对大规模爆破,特别是对定向爆破开展研究。确定这个方向的原因:一是它潜在的理论意义,因为爆破面对的是与金属很不相同的地质材料,怎样描述它的动态变形、断裂等的力学行为,是需要应对的挑战;二是在国民经济建设和国防建设方面,爆炸有广泛的应用,仅就当时而言就有水利工程和矿山资源开发的问题。现在来看,这一课题很具前瞻性,例如地下核爆炸、陨石撞击地球、人造卫星撞击流星以及雨滴侵彻土壤等都是同类科学问题。

到了1963年,爆炸成型学术会议在北京召开。郑哲敏等在会上系统地介绍了这方面的工作,受到与会者的热烈欢迎。钱学森亲自参加总结会并发言。由于有了郑哲敏和团队的理论体系和工作基础,随之“爆炸力学”这个新学科方向得以确立,并在国家建设中发挥了重要作用。

之后,受程开甲委托,郑哲敏开展了爆炸当量与地面冲击波压力随距爆心投影点距离变化的规律的理论与实验研究,在建立理论分析和计算方法的基础上,其所在科研团队又在怀柔基地做了系统的空爆实验,这个炸药实验室今天也是中国科学院国防教育基地之一。

为了冲破核威胁,我国同期也开展了地下核爆炸试验的研究。其中一个关键力学问题是对地下核爆炸威力当量的精确预测与传播。郑哲敏带领团队应国家所需,研究地下核爆炸冲击波的产生和传播机理。由于地下爆炸时局限性过大,高压下岩土介质的力学性质和平常有很大差异:常压下表现为脆性的大理石在高压下具有一定的塑性变形能力,郑哲敏通过深入研究这一现象,建立了流体弹塑性模型,可有效预测爆炸波的形成、结构、传播与演化,以及爆炸所成空腔的大小,获得了任务部门的应用。

1978年开始,爆破拆除应用于城市的改建首先引起我国爆破界的重视。郑哲敏带领的团队,形成了建筑物的系统爆破方案,并制定了规范。当时的石景山电站、北京闹市区的华侨饭店、连云港6.7千米长堤的爆炸填石排淤等都是爆破用于国民经济建设的典型工程。这项技术经国家相关部门推介后,广泛应用于全国的港口和码头建设、大型建筑体拆除等,既大大降低了建设费用,又显著缩短了建设周期。

到了21世纪,非常规能源的开发成为国家战略重大需求,郑哲敏及团队通过全面调研我国水合物勘探和开采研究现状,提出了从勘探关键技术、开采原理与技术,以及与此相关的环境和灾害力学问题三方面开展研究。同时也对页岩气开采中的关键力学问题进行了全面的梳理,培养和造就了这方面的一批人才。

1955年郑哲敏不到31岁回国,在66年的科研生涯中,郑哲敏践行科技报国,作为中国科学院力学研究所的初建参与者,从无到有,建立了爆炸力学学科,为我国的国防事业和国民经济发展作出了一系列重大贡献。12935号国际永久编号的“郑哲敏星”,将永远让我们铭记郑哲敏这样一位在强国富民路上力学笃行的先驱者。



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