师从两“钱”的不解之缘
1943年,郑哲敏以理工科第一名的优异成绩考入西南联合大学,和早一年考入的哥哥一样就读电机工程系。他喜爱物理,愿意为同学答疑释难,自己也从中得到了提高。在这里,郑哲敏第一次开始对当下国家的前途命运以及自己的责任有了更深刻的思考。
怎么样才能富国强民?在经过一番思考和探索之后,生性淡泊名利且对政治不感兴趣的郑哲敏决定投身科学救国。因为觉得和哥哥学不同专业,能对国家有更大贡献,在进入大学的第二年,郑哲敏从电机工程系转到了机械工程系。郑哲敏从小的梦想是当战斗机飞行员、打日本鬼子,当工程师、实业救国。兴趣引导少年时期的郑哲敏进入了科学的世界,也使他成为西南联大的高才生。
学习期间,他看见梅贻琦、曾昭抡、沈从文等教授都穿得破破烂烂的,学生们还在茅草房里上课。虽然条件艰苦,但是教授们教课认真以及学校活跃自由的氛围还是给他留下深刻印象。在晚年,他还记得曾旁听过航空等自己感兴趣的课程。
1946年,抗日战争结束不久,西南联大解散。郑哲敏所在的工学院除了化工专业外,全部归入清华大学。当时,钱伟长从美国回到清华大学任教,在他的课上郑哲敏首次接触到弹性力学、流体力学等近代力学理论。钱伟长严密而生动的理论分析引起了郑哲敏的极大兴趣。“钱先生的课是我走上研究力学道路的启蒙。从那开始,我才真正接触了现代力学。”钱伟长也很赏识这个聪明的年轻人,常叫他到家里吃饭。郑哲敏毕业后,留校为钱伟长当了一年助教。
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。”
24岁的郑哲敏背起行囊,负笈留学美国加州理工学院力学专业。在那里,郑哲敏用一年时间获硕士学位后,跟随当时已誉满全球的钱学森攻读博士学位。在学习的过程中,他深受钱学森所代表的近代应用力学学派的影响:着眼于重大的实际问题,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,这成为郑哲敏后来一生坚持的研究方向和治学风格。
出国留学,是为了归国报国,郑哲敏“从没想过不回国”。然而,中华人民共和国成立后,中国在美留学生归国集体受阻,郑哲敏毕业后不得不先暂时留在美国加州理工学院当助教。但他仍然感到自己像一叶浮萍,扎不下根,心中时刻牵挂着祖国。
1954年日内瓦会议后,美国移民局取消了对一批留学生不得离境的限制。郑哲敏离美之前,恩师钱学森为他饯行。他请教:“回国后干什么?”钱学森说:“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。”
这年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。在“回国留学生工作分配登记表”中,郑哲敏写道:“回国本是一贯主张。我们之所以获得教育,直接或间接的是由于全国人民的劳动,因此回国服务是不可推卸的责任。同时一个人如果不是在为群众的利益工作,那么生活便失去了意义。”
刚回到国内,中国科学院力学所还没有成立,郑哲敏到中国科学院数学所设立的力学研究室工作。几个月后,钱学森也冲破阻力回到祖国,创建中国科学院力学所,郑哲敏参加了力学所的创建工作。1956年,他被任命为该所弹性力学组组长,研究水坝抗震。1958年,他领导了大型水轮机的方案论证。
1960年,苏联撤退专家。他应邀参加了周恩来总理宴请科学家的盛会。周恩来在祝词中恳切表示,国家建设要依靠中国自己的知识分子。郑哲敏开始致力于解决国民经济中的重大问题。
1960年秋的一个下午,中国科学院力学所操场上。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厘米见方、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,将来卫星上天就靠它了。”
在这只碗出现前,爆炸在人们心中一直是一种破坏性的力量。这只用一个单发雷管炸出来的规整碗的出现,表明爆炸控制恰当,其能量能够发挥良好的加工、制备、创造和建设作用。这是我国第一次在精确计算炸药爆炸时能量释放的方向和力度的情况下,成功将一块金属平板炸成事先预期的形状。这种对炸药的精确掌控,用在制作导弹和火箭的喷管中,就是爆炸成形技术。这个实验的成功,也验证了郑哲敏提出的爆炸成形的机理和模型律。
这个爆炸成形实验,让钱学森预见到一门新学科正在诞生,他将其命名为爆炸力学。随后,中国科技大学力学系开设工程爆破专业,1962年改名为爆炸力学专业,并由郑哲敏负责为这个专业设计课程、聘请专业课教员、安排毕业论文等工作。由此,中国爆炸力学研究进入快速发展期。
经过努力,郑哲敏不仅阐明了爆炸成形的主要规律,而且和工业部门合作生产出技术要求很高的导弹零部件,使爆炸成形成为以科学规律为依据的新工艺,获得1964年全国工业新产品一等奖。
在同一时期里,郑哲敏还指导另一研究组在爆破技术方面开展研究。通过爆炸成形和爆破的研究,郑哲敏在力学和工程技术之间修架桥梁。“科学家要(为工程技术)雪中送炭,不要锦上添花!”郑哲敏经常这样教导学生,并身体力行地为祖国的经济、国防事业“雪中送炭”。
1964年,我国开始地下核试验的预研,郑哲敏接受和完成了有关任务,并主动考虑地下核爆炸威力的预报问题。1965年,他和解伯民与国外同时独立地提出了一种新的力学模型——流体弹塑性模型。
“文革”时期,科研工作被中断,对生活之苦郑哲敏不以为意,时间浪费却让他揪心,“糊里糊涂地参加了很多批判会,花了很多时间,真正坐下来做工作的时间少得可怜”。1971年,从干校返回中国科学院力学所后,郑哲敏继续致力于爆炸力学的研究。
早在20世纪60年代初,郑哲敏就曾提出过可以用室内小型枪击试验代替实弹靶场考核的建议,并且准备探索将流体弹塑性模型应用到穿破甲机理研究中,以改进我国兵器的落后面貌。70年代初,珍宝岛战役打响,为改变我国常规武器落后的状况,郑哲敏开始组织力量研究穿破甲机理。经过10年努力,先后解决了穿甲和破甲相似律、破甲机理、穿甲简化理论和射流稳定性等一系列问题,得到了比国际流行的Tate公式更为有效的穿甲模型,获得了比国际公认的Eichelberger公式更符合实际的计算公式,从武器设计的角度解决了这些问题;潜艇上需要焊接铜板和钢板,由于熔点不同,焊接工人束手无策,郑哲敏开创爆炸焊接,两块金属板成功被黏合……

微笑与乐观是郑哲敏健康长寿的秘诀
20世纪80年代,我国沿海城市急需港口建设,但是,从大连到湛江沿海海底有淤泥层。传统的方法用挖泥船把泥挖出来,填回石头,造价高、工期慢,质量难以保证。用爆炸的方法处理海底淤泥,是一种新技术的探索。
爆破专家开始提出的方案是抛掷方案,就是用爆炸法把淤泥从海底抛出去,然后再回填石头。现场试验发现,该方案不可行。联合攻关组请郑哲敏到连云港指导。郑哲敏听取报告后指出,在爆炸荷载作用下,淤泥具有流体特征,若想把淤泥抛出去,还要把淤泥上面的水也一起抛出去,这就要在水里布药,代价太大,不合理。在他的指导下,爆破专家们改变了研究的方向,放弃抛掷方案。经过多次试验研究,形成了切实可行的爆炸填石排淤技术: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。至此,工程的核心问题基本上解决了,以后的工作就是工艺技术改进和工程现场施工。
但是,郑哲敏认为研究工作还没有结束,还需要研究爆炸填石排淤问题的规律性。他安排至少两个博士研究生开展工作,一方面研究浅水中爆炸荷载的规律性,另一方面研究爆炸后散体与淤泥相互作用的运动规律。相关研究成果已经广泛应用,并且经过工程专家的长期实践。排淤和填石同时进行,提高了效率,工艺简单,工期缩短1/3,成本节约1/4。
力学是工程科学。其研究内容不是直接生产产品,也不是设计产品,而是为产品设计服务的,研究人员是“幕后”的英雄。出于对爆炸事故和灾害的关切与忧虑,从20世纪80年代初开始,郑哲敏便着手组织气相燃烧和爆炸、粉尘燃烧和爆炸的研究,紧接着又开始煤和瓦斯突出、森林火灾的发生和防治等课题的研究。煤和瓦斯突出事故在我国煤矿频繁发生,由于现象复杂,世界上主要产煤国家都对此进行了长期研究,却鲜有解决之道。1982年,郑哲敏发表了《从数量级和量纲分析看煤与瓦斯突出的机理》一文,对我国历年发生的大型突出事故从力学角度做了分析。此后,他领导的小组进行了一系列研究和实验,定性地揭示了突出的主要过程和特征,为一个重要的实用突出判据提供了理论说明。
郑哲敏一向坚持“科学院不抓基础研究是站不住脚”的观点,认为力学的基础研究应该成为力学研究所的一个主攻方向。经过多年的酝酿和准备,1988年6月,力学所正式成立了非线性连续介质开放实验室。这个实验室的研究方向和内容是:研究探索连续系统动力学中的非线性效应,特别是具有重大应用前景的课题,即固体材料的非线性力学性质、湍流与稳定性、非线性波理论、分离与旋涡,以及环境与灾害力学中的若干基础问题等。
中国科学院力学所副所长黄晨光介绍说:“几百年来,力学对介质的认识,主要分为固体和流体两大类,然后根据它们的变形和响应特征来建立力学分支学科。郑先生提出的概念和理论,突破了传统的约束,建立了一套基本的力学理论和方程,也就是流体弹塑性理论。它能够根据压力和强度的比值,自动判断和处理同一介质在不同条件下的属性和相应规律。一个介质在高压下可能流体的属性明显,在低压下以固体的属性为主,在中间状态两种塑性都需要同时考虑。”对于郑哲敏提出的判断标准,同行曾建议以他的名字命名为“郑哲敏数”,但被他拒绝了。