技术
郑哲敏 教授
技术科学奖
1993年
郑哲敏 爆炸力学、力学专家。 1924 年10 月 2 日生于山东济南，原籍浙江鄞县。1947 年获清华大学学士学位。1949 年和1952 年分别获美国加州理工学院硕士和博士学位。1980 年当选为中国科学院院士( 学部委员 ) 。1993 年当选为美国国家工程院外籍院士。现任中国科学院力学研究所研究员、中国科学院技术科学部主任。曾任力学研究所所长、中国力学学会理事长、《力学学报》主编等职。早期从事热弹性力学、水弹性力学、振动及地震工程力学研究。1960 年开始爆炸力学研究，其中“爆炸成形模型律及成形机制”获1964 年国家新材料、新产品、新技术、新工艺展览会一等奖，“破甲机理研究”获1978 年全国科学大会奖，“ 流体弹塑性模型及其在地下核爆炸和穿破甲方面的应用”获1982 年国家自然科学奖二等奖。“连云港爆炸处理水下软基”获1990 年国家科技进步奖二等奖。“金属板爆炸复合与应用”获1989 年中国科学院自然科学奖一等奖。“热塑剪切带” 获1993 年国家自然科学奖二等奖。
一、爆炸成形的理论和应用
50年代末国际上开始出现爆炸成形工艺，用这种工艺可以成形大型、复杂而精密的钣金零件。那时中国正开始研制导弹，但缺乏成形大型件的水压机，而且水压机还不能成形某些复杂而精密的工件。1959 年钱学森指出，力学可以直接和工艺结合，爆炸成形的研究可能形成这样的工艺力学。1960年郑哲敏组建了一个从基础到工艺的有层次的有机的研究集体，其中包括水下爆炸载荷、材料动态力学性质、爆炸成形、测试技术等研究组,开展测试、实验、理论分析多方面的工作。郑哲敏仔细考察了平板在水中爆炸波作用下的变形过程，敏锐地察觉到平板在变形时先后经历两次急剧的加速。第一次加速显然是由水中爆炸冲击波的打击所引起，但不明白为什么有第二次的加速。为寻找它的原因，他做了大量的演算和分析。起先计算到了有负压产生，这正是由于平板的高速变形对其附近的水产生抽吸而造成的空化现象，这里变形过程依然连续变化而没有出现第二次加速。后来他又考虑到，在空化区的后面存在着一个加速膨胀的水球，它会追上前去，吞没空化区，从而再次打击因受变形阻力作用而减速的平板，这次打击便造成了平板的第二次加速。就这样，他阐明了爆炸成形的机理，在当时还没有看到国际上发表此类工作。与此同时，他又给出了爆炸成形的几何相似律和能量准则，和外国学者所给出的相似律相比，他所提出的控制参数“少而精”，既抓住实质又便于使用。他的集体和产业部门的工程师协作，在上述机理和相似律的指导下，把实验室里小模型上得到的规律和优化参数顺利地推广应用到导弹零部件以及多种难以用常规工艺生产的钣金件的生产。为了解决特大型零件成形所遇到的模具铸造的难题，他又发明了惯性模。这种模具不必一次铸成整体，而是分次铸成几块，拼装而成。只要质量足够大，就能靠其惯性使毛料在爆炸作用下顺利贴模成形，此后模具才散开，下次作业时再拼装使用。通过这一实践，郑哲敏把工艺问题纳入科学领域，找出并解决其中的关键力学问题，为这项新工艺奠定了理论基础。
二、创立流体弹塑性模型并将其应用于研究地下核爆炸和穿甲、破甲、爆炸复合等高速碰撞问题
1964年，中国开始地下核试验的预研。他发现国外有关地下核爆炸波的衰变与空腔运动的理论计算有严重缺点，他们把全场人为地分为内部流体区和外部固体区，这种分区模型不能真实反映物质和运动状态的连续变化。1965 年他和解伯民向上级部门提交了“关于地下核爆炸计算模型的一个建议”。在这份研究报告中，他们和国外几乎同时而又独立地提出了一种新的力学模型-----流体弹塑性模型，用这种模型可以满意地求解时间和空间上连续变化的流体和固体效应紧密耦合的爆炸问题。1969 年春他又提交了一份计算地下核爆炸效应的总结性报告。这一报告表明新的计算模型和方案能够预报核爆当量和规律，标志着中国在这一研究领域已达到国际先进水平。
1966 年初，郑哲敏从事坦克和反坦克武器的研究工作。他指出穿甲现象符合几何相似律，实弹打靶考核的部分主要内容有可能用室内小型枪击试验代替。1971 年以后，他继续指导他的集体完成了杆式弹穿甲相似律的研究。他抓住了弹头在孔底边进边破碎形成渣堆这一特点，提出了杆式弹的穿甲模型，应用这一模型计算得到的侵彻速度和深度比旧理论更加符合实际。
在破甲弹对装甲的作用问题上，郑哲敏全面而又完满地解决了破甲相似律、破甲弹金属射流失稳拉断机理、射流侵彻金属装甲和非金属装甲的机理等一系列问题。他在 1977 年的一篇讨论射流稳定性的文章中巧妙地应用量纲分析方法直截了当地给出了判断射流失稳断裂的计算公式。他用解析方法证明了射流高速段的失稳是空气动力作用的结果，而低速段的失稳则是由射流材料的强度性质决定的。在同年，国际上只是发表了低速段强度失稳的结果，而证明则用的是数值方法。 1975 --1977 年期间，他在金属装甲的破甲机理研究中建立了一个简化的流体弹塑性模型，并分析指出：金属材料的惯性起主要作用，强度( 尤其是高压强度 ) 的作用占第二位，可压缩性的影响是可忽略的。据此理论而建立了一个计算侵彻速度的关系式，其中的变形阻力项随射流速度增加而增加，它比流行的艾克尔伯格 (Eichelberger) 公式更符合实际，后者的阻力项只是一常值。 1981年他的集体又完成了纤维增强复合材料装甲的破甲机理研究。他们发现这种材料具有良好的抗侵彻性能，却不能用一般理论作出解释，他注意到孔底附近孔壁的回缩现象，分析判断材料发生了热裂解，他所组织的实验证实了热裂解气体挟带了固体碎粒干扰了后续射流的运动，因而降低了射流的侵彻能力。上述理论指导了有关武器的研制和设计工作,在国际上也是一个创新。
70 年代末，他意识到爆炸复合是一种重要的机械加工新工艺。它具有高速、高压和高温的特点，由此而形成波状复合界面、旋涡结构、绝热剪切和重结晶等复杂现象。国际上的研究集中在用流体力学理论来解释周期界面波的现象。郑哲敏在1977 年就注意到这种理论忽略材料强度的作用是不相宜的，应该采用流体弹塑性模型，这样不仅能解释波状界面的形成，而且可以说明金相组织的变化。于是他组织了研究力量开展系统的研究。他们证明了界面的波长符合几何相似律，其控制参数是惯性与强度之比而不是雷诺数，因而国外学者用卡门涡列比拟界面波现象是不适宜的。他提出了一个以不可压缩流体流动为基础加以强度效应作修正的简化的成波理论，后来又采用了“卡门 -钱近似”对材料的可压缩性作了处理，最终得到了计算界面波长的公式，这一公式能较好预报具有不同密度、强度和可压缩性的材料的界面波长。他又指导了计算界面附近温度变化的工作，采用他在研究破甲机理中的类似方法，计算结果能说明界面附近所发生的重结晶、相变和熔化等金相变化，而且也说明了爆炸复合本质上是一种固态结合。这一研究不仅进一步丰富和发展了流体弹塑体力学的内容，而且为爆炸复合工艺在中国的推广应用提供了理论指导和设计依据。上述成果获1989 年中国科学院自然科学奖一等奖。
三、研究成功爆炸处理水下软基的新技术以及煤和瓦斯的突出机理
1980 年郑哲敏了解到中国煤和瓦斯突出这类事故相当频繁，严重威胁煤矿工人的生命安全和煤炭生产，便致力研究突出机理以推进突出预报的工作。国际上研究突出机理至少已进行了半个世纪，但是进展不大，一般把突出归为三个原因，即瓦斯能量、地压和煤层结构，至今没有形成统一而合理的理论。郑哲敏在 1982 年的中国力学学会第二届理事会上发表了《从数量级和量纲分析看煤和瓦斯突出的机理》一文，认为突出的主要能量来源是煤层中的瓦斯，而地压只是触发煤层破坏的条件。他指导的集体在 1987-1989 年连续发表文章从室内模拟实验和理论分析两方面不断深化和完善上述想法。实验证明了在一定条件下存在着恒稳推进的自持突出过程。他们在分析方面建立了简化模型，这一模型能较全面地解释突出现象，从中还引出了一个把瓦斯压力、地压和煤的强度综合在一起的突出判据。
1985--1988 年期间，郑哲敏指导和组织的爆破研究组研究成功一种爆炸处理水下海淤软基的新技术。他在1987 年的一篇研究报告《相似律、药量公式、优化及其他》中对爆炸排淤的模型律进行了探讨，为这项新技术的工程应用提供了理论依据。这项新技术在 1987 年通过了中国科学院与交通部的联合鉴定，现已被成功地应用于中国的港湾和码头建设。1987 年获中国科学院科技进步奖一等奖。1990 年获国家科技进步奖二等奖。
四、研究材料的动态力学性质,为爆炸力学的发展打下更深层次的基础
60 年代初，郑哲敏在研究爆炸成型时，对材料在高速变形时所具有的特殊性质就已十分重视，在研究穿破甲时，他更深刻地认识到在高速、高压和高温作用下材料的变形和破坏等性质更为复杂，他始终认为对此应该通过宏观和细观相结合的途径开展研究。 1978 年他在主持制定全国力学学科发展规划的工作中，经过多方切磋琢磨，对力学这门学科的认识得到了一致的认识，即力学既是基础科学又是技术科学，现代力学正在同其他各种工程技术以及同自然科学的其他学科的结合中不断开拓自己的领域。 1979 年，他组建了一个专门研究材料力学性质的研究室。他意识到绝热剪切现象具有重要的基础性质，和俞善炳、白以龙先后合作，在1984 年发表了《热塑剪切带的演化》一文；后来他又讨论了有限扰动的演化和兼并过程及其对失稳判据的影响，这些分析说明了实验观测到的多条剪切带等新现象。该成果获1993年国家自然科学奖二等奖。
郑哲敏教授的主要学术论文、著作目录
- Restricted Torsion of Thin-Walled Collumns of Air Foil Sections. Tsing-Hua Science Report ,1948.
- Resistance to thermal shock.J.Am.Rocket Soc.,1951,21.
- A similarity law for rapidly heated thin-walled cylinders ,J.Am.Rocket Soc., 1952,22.(with H.S.Tsien)
- Problems in hydro-elasticity.Proc.9th Congress of Appl Mec.,1956,7.
- 关于工程地震的若干问题 .力学学报 ,1957,1.
- 输水管的振动问题 .力学学报 ,1958,3.
- 悬臂梁一侧受有液体作用时的自由振动 .力学学报 ,1959,3.( 合作者 : 马宗魁 )
- 水激波入射于平板时空化的形成 .国家科委科技报告 ,1964.
- 爆炸成形模型律 .国家科委科技报告 ,1964.
- 关于地下爆炸计算模型的一个建议 .中国科学院力学研究所研究报告 ,1965.( 合作者 : 解伯民 )
- 破甲过程的初步分析及一些基本知识 ( 一 ) 和 ( 二 ). 力学情报 ,1973,5 和 6.( 合作者 :段祝平、谈庆明、刘小苹 )
- 破甲机理的力学分析及简化模型 .科技参考资料 ,1977,1.( 合作者 : 谈庆明 )
- 破甲弹射流稳定性的研究 .爆炸与冲击 ,1980,1:1.
- 连续介质力学与断裂 .力学进展 ,1982,12.
- 从数量级和量纲分析看煤与瓦斯突出的机理.见:力学与生产建设,北京大学出版社,1982.
- Mechanics of Explosive Welding.Proc.Intl.Symp. on Intense Dynamic Loading and Its Effects.1986,Beijing,Science Press ,1986.
- Random Penetration of Broken Jet into Composite.ibid ,1986.(With Q.M.Tan and Y.S.Ding)
- Several Problems in Hydro-Elasto-plastic Dynanics.ibid ,1986.
- On evolution }of thermo-plastic bands. Acta Mechanica Sinica (English Edition ), 1986,2.(with Yilong Bai and Shanbing Yn)
- 煤在瓦斯渗流作用下持续破坏的机制 .中国科学 A 辑 ,1989.( 合作者 : 丁晓良、俞善炳、丁雁生、寇绍全、谈庆明 )
- Mechanism of wave formation at the interface in explosive welding. Acta Mechanica Sinica,1989,15:2.(with Tan Qinpming)
- A Laboratory Study of Coal Gas Outbursts.Proc.2nd Intl.Symp.On Intense Dynamic Loading and its Effects ,chengdn.Sichuan Univ. Press ,1992.(with Chen Li and Ding Yansheng)
- 一维瓦斯突出破碎阵面的恒稳推进 .中国科学 A 辑 ,1993,23:4.( 合作者 : 陈力、丁雁生）