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鄭哲敏:力學家的報國之“力”

  鄭哲敏(1924.10.2—2021.8.25),著名力學家、爆炸力學專家。長期從事固體力學研究,開拓和發展了我國的爆炸力學事業。擅長運用力學理論解決工程實際問題,提出了流體彈塑性體模型和理論,并在爆炸加工、巖土爆破、核爆炸效應、穿甲破甲、材料動態破壞、瓦斯突出等方面取得重要成果。倡導海洋工程力學、材料力學性能、環境災害力學的研究,創建了中國科學院力學研究所非線性連續介質力學實驗室,為推動我國力學事業的發展作出了突出貢獻。1980年當選為中科院院士,1993年被選為美國工程院外籍院士,2012年度榮獲國家最高科學技術獎。

 

  1955年春,當火車從九龍駛入羅湖,鄭哲敏看著那高高懸掛的五星紅旗,忍不住心頭激蕩、熱淚盈眶,游子終于回到了祖國母親的懷抱!盡管對祖國的現狀和未來自己的科研有很多的未知,但鄭哲敏深知,他再也不會寄人籬下,像浮萍漂在水面。從此刻開始,他將為自己的國家和這片土地上的人民奉獻自己的每一滴汗水。

  承國家之志

  時間回到1928年5月3日,年僅4歲的鄭哲敏就在濟南“五三”慘案的逃難過程中經歷了和家人失散之痛。有一次,地上的子彈殼引起了他的興趣,于是彎腰去撿,突然邊上一個端著刺刀的日本兵舉槍向他沖過來。直到30多年后,被日本兵端著閃亮的刺刀追殺的場景仍不時出現在鄭哲敏的噩夢中,也因此在年幼的鄭哲敏心中埋下了強國富民的種子。1948年,懷著科技興國的夢想,鄭哲敏在錢偉長、陳福田、李輯祥等先生的推薦下,受扶輪社獎學金的資助,獲得了到加州理工學院留學深造的機會。此年8月18日,在家人的祝福與依依惜別中,鄭哲敏從上海十六鋪碼頭出發,開始了他歷時6年多的留學生活。

  鄭哲敏到加州理工學院機械系1年后獲碩士學位,1952年又取得博士學位。他的論文題目是與導師錢學森討論后確定的,研究的是當時正在迅猛發展的高速飛行和噴氣推進所引起的結構物受熱的抗力問題。

  通過錢先生的指導和自身多年的科研實踐,鄭哲敏形成了技術科學研究的基本方法:一是針對所研究的問題,首先要明確難點,明晰其中的概念,明確所采用的假設。立題的概念不清楚是不能接受的,假設越少越好,且必須一清二楚,模糊不得。二是其次才涉及具體的方程和計算方法,方法有高低之分,最重要的是必須得到可信的結果。三是結論必須根據結果得出,要掌握分寸,如有必要和可能,還要有實驗的驗證。四是不允許說缺乏根據的話。對所得結果的意義和應用價值,可加以說明,但務必不能夸大其詞。五是特別需要留意結果出現轉折的情況,因為這標志著問題的性質發生了質的變化,一定要設法找到背后的機制,并考慮這種機制是否可以加以利用。在之后長達60多年的科研與教學實踐中,鄭哲敏嚴格踐行了這些科學研究的基本方法。從今天來看,這些原則也正是我們各個領域的科技工作者在工作中需要踐行的。

  1949年新學期開始,鄭哲敏積極參加了在加州理工學院成立的留美科學工作者協會分會。主要目的是動員留在美國的我國科學工作者學成回國或以自己的方式為即將成立的新中國作貢獻。鄭哲敏等還專門組織討論,看大家能為解放后的新中國做些什么,并明確提出早日學成回國的希望,也因此促成了1950年一批加州理工學院的留學生回國。

  就在獲得博士學位不久,鄭哲敏被移民局以莫須有的罪名關押。后經好友馮元楨保釋出獄,但移民局仍禁止鄭哲敏離境,他的護照也被移民局扣押,變成了一個沒有合法身份的人。所幸加州理工學院機械系允許鄭哲敏繼續留在系里教書。1954年7月,鄭哲敏收到移民局來信,通知他須盡快在9月27日前離境。

  6年的求學與科研生活,盡管歷經波折,但為鄭哲敏以后從事的科學研究打下了堅實的基礎?;貒暗囊粋€晚上,錢學森在家中為鄭哲敏餞行。錢學森特別囑咐了兩件事:一是關于鄭哲敏回國后的工作,建議像他這樣受過系統力學訓練的人,國家需要他做什么就做什么。即使國家需要做的是非常簡單的事,例如管道流的阻力計算,也應當努力去做好。二是對于社會主義國家,運籌學特別需要,將在國家建設中發揮積極的作用。因此要鄭哲敏回國后把這個意見轉告錢偉長。

  急國家之需

  1955年春回國后,鄭哲敏在工作志愿表上鄭重填上了中國科學院數學研究所力學研究室。在這期間,鄭哲敏進行了一次西北之行、參加了全國科學規劃,這對他的影響非常大。西北之行,使得鄭哲敏了解了大西北地貌的雄偉粗獷和人民的憨厚堅毅;遼闊荒蕪的黃土高原,由于干旱缺雨給人民生活帶來的艱苦,使他受到深刻的教育,感到了作為一個中國人身上的責任。這些經歷是鄭哲敏不斷鼓勵年輕人研究泥石流災害和環境力學的原因。

  1956年,作為錢學森所長的秘書,鄭哲敏在西郊賓館參加編寫了《1956—1967年科學技術發展遠景規劃綱要》,《綱要》中的力學部分是很長一段時間我國力學研究任務和學科發展的綱領性文件。

  早期鄭哲敏的研究多數是解燃眉之急。他解決了劉家峽重力式高壩抗震的力學問題,鑒于當時不具備數值解法的條件,通過采用以實驗為主的路線,得到了高壩流固耦合振動的自振頻率,并得出了作用于剛性壩面的總作用力隨頂角變化的關系。這一工作,連同鄭哲敏之前關于連續板和圓筒與水的耦合振動的文章,在我國早期水彈性力學領域作出了開拓性貢獻。

  隨著工作機會變多,涉及的領域變寬,進一步增強了鄭哲敏的主人翁意識:因為這是他的祖國,無論做什么事,都是在為自己的國家和人民工作,工作也就有了意義,這種主人翁精神成為鄭哲敏畢生努力拼搏的無窮動力。

  報國家之力

  回國不久,鄭哲敏便對大規模爆破,特別是對定向爆破開展研究。確定這個方向的原因:一是它潛在的理論意義,因為爆破面對的是與金屬很不相同的地質材料,怎樣描述它的動態變形、斷裂等的力學行為,是需要應對的挑戰;二是在國民經濟建設和國防建設方面,爆炸有廣泛的應用,僅就當時而言就有水利工程和礦山資源開發的問題?,F在來看,這一課題很具前瞻性,例如地下核爆炸、隕石撞擊地球、人造衛星撞擊流星以及雨滴侵徹土壤等都是同類科學問題。

  到了1963年,爆炸成型學術會議在北京召開。鄭哲敏等在會上系統地介紹了這方面的工作,受到與會者的熱烈歡迎。錢學森親自參加總結會并發言。由于有了鄭哲敏和團隊的理論體系和工作基礎,隨之“爆炸力學”這個新學科方向得以確立,并在國家建設中發揮了重要作用。

  之后,受程開甲委托,鄭哲敏開展了爆炸當量與地面沖擊波壓力隨距爆心投影點距離變化的規律的理論與實驗研究,在建立理論分析和計算方法的基礎上,其所在科研團隊又在懷柔基地做了系統的空爆實驗,這個炸藥實驗室今天也是中國科學院國防教育基地之一。

  為了沖破核威脅,我國同期也開展了地下核爆炸試驗的研究。其中一個關鍵力學問題是對地下核爆炸威力當量的精確預測與傳播。鄭哲敏帶領團隊應國家所需,研究地下核爆炸沖擊波的產生和傳播機理。由于地下爆炸時局限性過大,高壓下巖土介質的力學性質和平常有很大差異:常壓下表現為脆性的大理石在高壓下具有一定的塑性變形能力,鄭哲敏通過深入研究這一現象,建立了流體彈塑性模型,可有效預測爆炸波的形成、結構、傳播與演化,以及爆炸所成空腔的大小,獲得了任務部門的應用。

  從1978年開始,爆破拆除應用于城市的改建首先引起我國爆破界的重視。鄭哲敏帶領的團隊,形成了建筑物的系統爆破方案,并制定了規范。當時的石景山電站、北京鬧市區的華僑飯店、連云港6.7千米長堤的爆炸填石排淤等都是爆破用于國民經濟建設的典型工程。這項技術經國家相關部門推介后,廣泛應用于全國的港口和碼頭建設、大型建筑體拆除等,既大大降低了建設費用,又顯著縮短了建設周期。

  到了21世紀,非常規能源的開發成為國家戰略重大需求,鄭哲敏及團隊通過全面調研我國水合物勘探和開采研究現狀,提出了從勘探關鍵技術、開采原理與技術,以及與此相關的環境和災害力學問題三方面開展研究。同時也對頁巖氣開采中的關鍵力學問題進行了全面的梳理,培養和造就了這方面的一批人才。

  自1955年鄭哲敏不到31歲回國,在66年的科研生涯中,鄭哲敏踐行科技報國,作為中國科學院力學研究所的初建參與者,從無到有,建立了爆炸力學學科,為我國的國防事業和國民經濟發展作出了一系列重大貢獻。12935號國際永久編號的“鄭哲敏星”,將永遠讓我們銘記鄭哲敏這樣一位在強國富民路上力學篤行的先驅者。

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