錢學森工程科學思想的實踐者

記兩院院士、中國科學院力學所研究員鄭哲敏

丁雁生， 洪友士， 金 和

鄭哲敏先生近照

北京，中關(guān)村，中國科學院力學研究所的一個辦公室灑滿和煦的陽光。一位老科學家在這辦公室工作，時而斟酌國家技術(shù)科學發(fā)展戰(zhàn)略和力學學科規(guī)劃，時而找來青年學者和研究生討論科研問題，時而與現(xiàn)任力學所領(lǐng)導商議力學發(fā)展方向和重大課題安排，還時常走出辦公室出席有關(guān)會議、考察解決重大項目、做科普報告，直至指導青少年科技活動。他就是中國科學院院士、中國工程院院士、美國工程科學院外籍院士、著名力學家鄭哲敏研究員。鄭院士身材不高，身板依然硬朗；步速減緩，步態(tài)依然穩(wěn)?。活^發(fā)稀疏花白，頭腦依然聰慧，科學思維依然敏捷。他每天上午都來上班，需要時下午也不休息，實在看不出已經(jīng)九十高齡，說他八十歲不會引人生疑。從1947年做畢業(yè)論文算起，鄭哲敏先生從事科學研究已經(jīng)67年。榮獲2012年度國家最高科學技術(shù)獎，是對他科學生涯的中肯評價。

師從錢學森

 鄭哲敏先生1924年生于濟南，祖籍浙江鄞縣。父親少時放牛，15歲到上海亨得利鐘表行學徒，因聰敏誠勤19歲時被外派濟南開店當了經(jīng)理，后來自己創(chuàng)業(yè)成為老板。父親為了圓大學夢，遭遇戰(zhàn)亂仍然堅持供子女讀書，還支持鄭哲敏與兄長鄭維敏出國留學。鄭哲敏1947年清華大學畢業(yè)留校任教，1948年被學校推薦并考取全國僅一名的國際扶輪社獎學金，獲得去美國加州理工學院留學的機會，1950年起在錢學森指導下攻讀博士。
1947年夏，錢學森回國探親時曾在上海交大、浙江大學和清華大學報告他關(guān)于工程科學的思考（發(fā)表于JCIE，Vol.6，1948。譯文見《力學進展》2009年第39卷第6期）。做錢學森的學生后，鄭哲敏有機會聆聽老師闡述工程科學，并在老師直接指導下研究工程科學。錢先生要他做兩項工作，一是陶瓷片抗熱應力的強度，二是火箭發(fā)動機熱應力的相似律。1938年錢學森在博士論文中預言，高速飛行器表面將被空氣加熱，而當時普遍認為飛行器將被周圍空氣冷卻。錢學森獨樹一幟，預見高速飛行將遭遇“熱障”。今天航天工程采用陶瓷片克服熱障，而早在1950年錢學森就要博士生鄭哲敏研究陶瓷片的熱沖擊抗力。1940年錢學森與他的導師馮 卡門，采用量綱分析方法，提出高超聲速流動的相似律，大大推進了高超聲速飛行器的實驗研究。1950年錢學森要求鄭哲敏掌握量綱分析方法，把火箭發(fā)動機簡化為高熱內(nèi)流作用下的薄壁圓筒，研究熱應力的相似規(guī)律。這兩個題目，反映了錢學森的工程科學思想。鄭哲敏腦快手快，一年多時間突破難點，在1951年秋就完成了博士論文，兩項工作分別在1951年11月和1952年4月發(fā)表。回過頭說，鄭哲敏1947年在錢偉長教授指導下做的畢業(yè)論文？？關(guān)于一端固支另一端施加扭矩的薄壁筒扭轉(zhuǎn)問題？？薦送清華校刊發(fā)表，恰是錢偉長在加州理工馮 卡門手下工作的繼續(xù)，也是以“卡門？錢”為代表的應用力學學派的成果。從鄭哲敏在兩位錢老師指導下的三篇處女作看，他經(jīng)歷了工程科學研究從選題到攻堅克難的嚴格訓練，名師高徒，出手不凡，對老師的工程科學思想有了切身體驗并貫徹至今。
1952年6月，鄭哲敏獲得加利福尼亞州理工學院應用力學與數(shù)學博士學位并準備回國。就在當月30日，美國移民局找借口把鄭哲敏關(guān)進1950年曾經(jīng)關(guān)押過錢學森的那個監(jiān)獄。取保出獄后，鄭哲敏起訴申請自動離境，官司獲勝卻被當局以“美國利益”為由禁止離開居住地，直到1954年日內(nèi)瓦會議中美大使會談才被美國當局監(jiān)視出境。1955年2月，鄭哲敏終于跨過深圳羅湖橋，回到闊別七年的祖國。他如愿分配到中國科學院數(shù)學研究所錢偉長主持的力學研究室。當年9月為迎接錢學森回國，他曾受錢偉長先生委托起草籌建力學所方案（1956年1月中科院力學所正式成立）。10月8日錢學森回國后，他成為中國科學院力學研究所的創(chuàng)始成員，繼續(xù)得到老師指導。到現(xiàn)在，鄭哲敏先生已經(jīng)在力學所辛勤耕耘58年。

研究爆炸力學

1959年底，鄭先生領(lǐng)導的團隊開始研究爆炸成形。這是一種金屬板材成型技術(shù)，具體做法是板料下面放模具，板料上面有適當高度的水，起爆水中炸藥使板材瞬間貼模成型（如圖）。在上世紀五、六十年代年的中國，爆炸成型是一個替代大型機械設(shè)備加工的可行方案。

爆炸成形示意圖

1960年初，在力學所現(xiàn)場觀摩會上，爆炸成形小組用一發(fā)雷管把一塊薄鋼板炸成一個小碗。錢學森所長、郭永懷副所長大力支持這項研究，譽之為“新生事物”。在大躍進的潮流中，課題組立即就到工廠去推廣爆炸成形，結(jié)果失敗了，坐冷板凳灰溜溜回所。在貫徹“調(diào)整、鞏固、充實、提高”方針和“大興調(diào)查研究”之際，1961年開始冷靜下來，科研工作回到實事求是的軌道，錢學森所長將目標確定為爆炸成形機理和模型律。研制微秒計時儀觀測板料運動過程，1962年發(fā)現(xiàn)板料運動軌跡有一個彎折。鄭先生由此認識到：除激波加載外，水中空化區(qū)閉合使爆炸產(chǎn)物的膨脹能經(jīng)水體傳遞到板料，對板料二次加載。這樣，對爆炸成形機理有了正確認識，再通過對實驗數(shù)據(jù)的力學分析，1963年得到藥量與總變形功成正比的能量準則（它是幾何相似律的特例）。據(jù)此建立了力學模型，所做的計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)一致。綜合上述認識，找到了工藝參數(shù)，成功用于生產(chǎn)。這一段的學術(shù)難點在于觀測到了不能理解的新現(xiàn)象，開始誤以為是假象而陷于困境。當認識到新現(xiàn)象是二次加載過程，就實現(xiàn)了由感性到理性的飛躍，對爆炸成形機理的認識獲得突破，1964年獲得國家一等獎。其后，大件爆炸成形遭遇困難，采用分瓣慣性模得以解決。由此得到的基本經(jīng)驗是：“從工程技術(shù)中來，到工程技術(shù)中去”這一基本公式有一個中間環(huán)節(jié)？？“創(chuàng)造有科學根據(jù)的工程技術(shù)理論”是工程科學研究的畫龍點睛之筆。1960年形式上按“從工程技術(shù)中來，到工程技術(shù)中去”做，丟卻了作為精髓的中間環(huán)節(jié)，實質(zhì)上偏離了工程科學之路。
爆炸成形和定向爆破筑壩等研究，使鄭先生領(lǐng)導的團隊走進爆炸領(lǐng)域。1963年，錢學森所長在爆炸成形學術(shù)會議上用“爆炸力學”概括這個新興的力學分支。按照郭永懷副所長安排，1964年鄭哲敏團隊承接國防科委某所的項目“地下核爆炸力學效應研究”。經(jīng)典力學中固體用應力－應變的彈性、塑性關(guān)系描述，流體則用壓力－密度－溫度的狀態(tài)方程和剪力與速度梯度的粘性關(guān)系描述，兩個體系是截然不同的。當時國外文獻處理地下核爆力學效應時，沿襲流體、固體分開的做法分區(qū)處理，而流－固分區(qū)的界限其實不清楚。鄭先生與合作者解伯民先生認為，對于地下核爆將流－固截然分開不可取，在1965年5月獨立于國外提出了統(tǒng)一的流體彈塑性體模型。他們認識到地下核爆炸從近爆心到遠離爆心載荷的不同，以及同一點加載與卸載的歷史變化過程也不同，指出在高壓狀態(tài)下介質(zhì)呈現(xiàn)流體特性，在較低壓力狀態(tài)下又呈現(xiàn)固體性質(zhì)，建立了統(tǒng)一的本構(gòu)關(guān)系。使用該模型成功地處理了高速加載和高速變形下巖石的流動與變形問題，為我國首次地下核試驗提供了服務，對各種儀器的布置提供量程預報。1968年底鄭先生被迫中斷科研，但先生提的流體彈塑性體模型成功應用于1969年9月23日中國第一次地下核試驗，預報爆炸當量為2萬噸。這以后，力學所繼續(xù)與有關(guān)單位協(xié)作，參加數(shù)次核試驗，討論力學效應試驗方案，分析整理力學效應的試驗資料，結(jié)合爆后開挖現(xiàn)場考察，給出了巖體中應力波傳播規(guī)律。多年的事實證明，核試驗的現(xiàn)場實測與流體彈塑性體模型的數(shù)值計算符合較好，能較好的反映地下核爆炸過程。
上世紀七十年代初，為適應戰(zhàn)備需要，中央軍委下達“穿甲彈、破甲彈和碎甲彈侵徹機理研究”的項目，力學所參加了這項工作。從“干?！被厮泥嵪壬鷰ьI(lǐng)課題組，與有關(guān)單位通力合作，將流體彈塑性模型用于金屬等材料，解決了穿甲相似律、金屬聚能射流穩(wěn)定性、破甲模型律、金屬裝甲及復合裝甲的穿破甲機理等一系列問題。發(fā)現(xiàn)玻璃鋼在高速射流侵徹時熱裂解，產(chǎn)生氣固兩相流干擾射流的新現(xiàn)象，提出了玻璃鋼對聚能射流的干擾機理。
“流體彈塑性模型及其在核爆與穿破甲方面的應用”，獲1982年國家自然科學二等獎。流體彈塑性模型的成功，進一步說明：實際需求是爆炸力學發(fā)展的主要動力，理論創(chuàng)新和實際應用的緊密結(jié)合是爆炸力學發(fā)展的源泉。
1976年，力學所開始金屬板爆炸復合機理和工業(yè)應用等工作，進行系統(tǒng)的理論分析與實驗研究。實驗證實兩塊金屬板復合的界面有時呈現(xiàn)波紋狀（如圖），而且只有這時兩塊金屬板才能牢固結(jié)合。鄭先生指出這是爆炸驅(qū)動的板料碰撞時呈現(xiàn)流體性質(zhì)，界面失穩(wěn)形成“波浪”，隨載荷迅速下降材料恢復固體性質(zhì)將“波浪”凍結(jié)。這個判斷得到實驗和數(shù)值分析的證實，并指導確定爆炸復合工藝參數(shù)。該項目于1989年獲中國科學院自然科學一等獎?，F(xiàn)在，爆炸復合已經(jīng)在國內(nèi)成為一個有相當規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。

爆炸復合時界面失穩(wěn)的金相照片

“絕熱剪切帶”是強沖擊導致的劇烈變形帶，其中的應變可以高達“一”的量級，屬于流體彈塑性體模型的一類穩(wěn)定性問題。鄭先生的學生白以龍在上個世紀八十年代初訪問英國時，提出一個簡化的模型方程，解決了熱塑失穩(wěn)準則等一系列問題。鄭先生參加“為什么熱塑剪切帶會這么窄（微米到百微米）”的討論，最后發(fā)現(xiàn)，向外的熱耗散與向內(nèi)做的功相抗衡，決定了剪切帶的結(jié)構(gòu)和寬度，并從理論上得到了功熱抗衡決定剪切帶寬的定態(tài)模式，與實驗數(shù)據(jù)以及簡化分析一致。在這里，從工程技術(shù)提出的金屬局部相變問題上升為對熱塑失穩(wěn)現(xiàn)象的理論認識，獲得國內(nèi)外學術(shù)界高度評價，白以龍、鄭哲敏等于1992年獲國家自然科學獎二等獎。
流體彈塑性體模型成為一個理論標志，是二戰(zhàn)后至今爆炸與沖擊的力學效應方面最重要的進展。它來自工程技術(shù)問題，上升為爆炸力學的一個基本模型，指導獲得了多項工程技術(shù)的原理，還引導出熱塑失穩(wěn)理論，成為工程科學反饋基礎(chǔ)科學的一個典型事例。
對地下核爆現(xiàn)象的認識，是力學所對流體彈塑性體認識“從工程技術(shù)中來，到工程技術(shù)中去”的第一個循環(huán)。對高速侵徹現(xiàn)象的認識是第二個循環(huán)。爆炸復合界面失穩(wěn)理論、熱塑失穩(wěn)理論，是第三個、第四個循環(huán)。每個循環(huán)都在中間環(huán)節(jié)？？“創(chuàng)造有科學根據(jù)的工程技術(shù)理論”上做出創(chuàng)新亮點。應用流體彈塑性體理論解決實際問題的“從工程技術(shù)中來，到工程技術(shù)中去”的循環(huán)，還將繼續(xù)下去。

堅持錢學森工程科學（技術(shù)科學）思想

力的作用和物質(zhì)的運動，是自然界和人類活動中最基本的現(xiàn)象。這正是力學學科的研究對象，從而奠定了力學在自然科學中的基礎(chǔ)地位，還使力學成為應用極其廣泛的工程科學（或稱技術(shù)科學）。實踐證明，應用力學的性質(zhì)決定了應用力學研究應當走錢學森主張的工程科學研究之路。國民經(jīng)濟和社會發(fā)展需求，是促進工程科學發(fā)展的強大動力。
1956年1月6日，錢學森在力學所全體會上報告，把工程科學作為建所思想。錢學森多次說：“回國感到受益最大和令我高興的是，在國外多年摸索出來的方法，在精神上是和《實踐論》和《矛盾論》的原則相符合的” 。鄭先生從美國回來后也有同感。1957年錢學森在《科學通報》第4期發(fā)表“論技術(shù)科學”，進一步闡述工程科學（或技術(shù)科學）思想。1984年2月，鄭先生接替老師出任力學所第二任所長，繼續(xù)按工程科學思想建所。至今力學所各屆所長，一直都堅持以工程科學思想建所。
然而，錢學森的工程科學思想不僅來自應用力學，它還是二戰(zhàn)時研制原子彈和雷達的經(jīng)驗總結(jié)。所以錢學森工程科學思想包含著力學之外其他技術(shù)科學學科也適用的基本規(guī)律，并且得到若干技術(shù)科學其他學科專家的認可。1955年中國科學院設(shè)立學部，借鑒蘇聯(lián)經(jīng)驗設(shè)置了技術(shù)科學學部，把數(shù)、理、化、天、地、生之外的其他學科都納入了技術(shù)科學部，但是對于門類繁多的技術(shù)科學的共性和發(fā)展規(guī)律缺乏深刻的戰(zhàn)略認識。1996年6月，時年72歲的鄭哲敏先生當選中國科學院新一屆主席團成員、主席團執(zhí)行委員會成員和技術(shù)科學學部主任。他“建議開展技術(shù)科學發(fā)展戰(zhàn)略的研究”。指出，“近二、三十年來科學技術(shù)和社會經(jīng)濟高速發(fā)展的經(jīng)驗表明，在新世紀里，技術(shù)科學必將發(fā)揮更大的作用，對此我們應當做好充分的準備”。然而，“在我國，甚至在科技界，人們對技術(shù)科學往往缺乏正確的認識，因此有重新認識和加強宣傳的必要”。從此開始，鄭哲敏先生在各種會議上講話、做報告或發(fā)表文章，反復闡述錢學森的技術(shù)科學思想，認為技術(shù)科學對于實現(xiàn)“科教興國”戰(zhàn)略有重大意義，呼吁科學界和制訂科技戰(zhàn)略的領(lǐng)導機關(guān)重視技術(shù)科學，按照技術(shù)科學發(fā)展規(guī)律辦事。茲將其中要者列舉如下：
(1) 1998年6月，鄭先生在第九次院士大會上再議技術(shù)科學發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)研，希望找出主要問題，抓住具有方向性、關(guān)鍵性、全局性、前瞻性的重要問題進行研究。
(2) 1999年4月26~27日，出席學部在京召開的“技術(shù)科學發(fā)展研討會”，鄭先生在會上作“有關(guān)技術(shù)科學的一些思考”的報告，王大珩、師昌緒院士也做了報告，張光斗、羅沛霖院士提交書面材料，路甬祥院長在會上發(fā)言。
(3) 1999年10月17日，鄭先生在中國科學院學部咨詢工作委員會會議上的發(fā)言，闡述發(fā)展高技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)、改造基礎(chǔ)工業(yè)都需要技術(shù)科學，指出我國技術(shù)科學方面存在的問題。
(4) 2000年2月17日，參加中國科學院學部學科戰(zhàn)略研究總體組會議，修改技術(shù)科學發(fā)展戰(zhàn)略研究提綱。
(5) 2000年3月29日，針對對技術(shù)科學缺少深刻認識的現(xiàn)狀撰寫“技術(shù)科學的再認識”一文。
(6) 2000年4月3日，在中國科學院技術(shù)科學部戰(zhàn)略咨詢會議上做“關(guān)于技術(shù)科學戰(zhàn)略咨詢”的發(fā)言。
(7) 2000年6月，鄭先生卸任技術(shù)科學部常委、主任和學部主席團成員，撰寫“論技術(shù)科學和技術(shù)科學發(fā)展戰(zhàn)略”。
(8) 2001年2月8日，撰寫“關(guān)于技術(shù)科學與技術(shù)科學思想的幾點思考”投送中國科學院院刊，于當年第2期發(fā)表并收入《鄭哲敏文集》（科學出版社，2004年）。
(9) 2001年11月19~20日，為祝賀錢學森先生90壽辰，“新世紀力學學術(shù)研討會？？錢學森技術(shù)科學思想回顧與展望大會”在清華大學召開。鄭先生致開幕辭并作題為“學習錢學森先生技術(shù)科學思想的體會”的報告（刊登于會議文集《錢學森技術(shù)科學思想與力學》，國防工業(yè)出版社，2001年，以及《力學進展》2011年31卷第4期并收入《鄭哲敏文集》）。
(10) 2001年12月10日，鄭先生出席“錢學森科學貢獻和學術(shù)思想研討會”，做題為“錢學森技術(shù)科學思想”的報告。
(11) 2005年12月6日，在“慶祝力學研究所建所50周年暨錢學森回國50周年大會”上，鄭先生以“錢學森的技術(shù)科學思想和力學所的建設(shè)和發(fā)展”為題講話。
(12) 2011年4月8日，鄭先生到合肥中國科學技術(shù)大學，在紀念錢學森百年首場科學報告會上作報告，題為“工程科學與應用力學”。
(13) 2011年8月22~24日，鄭先生赴哈爾濱參加中國力學大會2011暨錢學森百年誕辰紀念大會，做紀念錢學森的報告。
(14) 在《力學學報》2011年43卷第6期，鄭先生發(fā)表論文“學習錢學森先生技術(shù)科學思想的體會”。
(15) 2011年11月18日，鄭先生在中國科學院科普論壇上報告“錢學森的科學技術(shù)貢獻和他的技術(shù)科學思想”。
(16) 2011年12月6日，鄭先生上午在中國科學院紀念錢學森誕辰百年大會上講話，下午在研討會上發(fā)言。
上述事例說明，這是鄭哲敏先生近二十年持續(xù)關(guān)注的大事，是他最期望解決的戰(zhàn)略問題。本文不厭其繁地列舉這些事例，希望由此引起讀者和有關(guān)方面切實關(guān)心和認真研究。

希望

鄭哲敏先生是錢學森先生工程科學思想的實踐者。他的巨大成功，除了本人勤奮聰慧堅毅、受到優(yōu)質(zhì)教育、適逢振興中華的歷史機遇外，踐行錢學森的工程科學思想是一個重要因素。
當今中國實行改革開放，國力日盛，正面臨一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折期或轉(zhuǎn)型期，如同傳說的“鯉魚跳龍門”那樣，或者奮力躍進發(fā)達國家行列，或者止步于“中等陷阱”、掙扎于重重難解的矛盾之中?！翱平膛d國”是勝利實現(xiàn)關(guān)鍵轉(zhuǎn)折的國策，而大力發(fā)展技術(shù)科學是實現(xiàn)“科教興國”的一項戰(zhàn)略措施。
2013年1月國家主席頒獎、2月總書記宴請之后，耄耋之年的鄭哲敏先生，除了準備在關(guān)系國家發(fā)展的重要領(lǐng)域再指導年輕人做一些研究工作之外，還希望科學家與科技政策制訂者深刻認識技術(shù)科學發(fā)展規(guī)律，制訂并實施技術(shù)科學發(fā)展戰(zhàn)略，為實現(xiàn)振興中華的夢想奠定技術(shù)科學基礎(chǔ)。