钱学森工程科学思想的实践者

记两院院士、中国科学院力学所研究员郑哲敏

丁雁生， 洪友士， 金 和

郑哲敏先生近照

北京，中关村，中国科学院力学研究所的一个办公室洒满和煦的阳光。一位老科学家在这办公室工作，时而斟酌国家技术科学发展战略和力学学科规划，时而找来青年学者和研究生讨论科研问题，时而与现任力学所领导商议力学发展方向和重大课题安排，还时常走出办公室出席有关会议、考察解决重大项目、做科普报告，直至指导青少年科技活动。他就是中国科学院院士、中国工程院院士、美国工程科学院外籍院士、著名力学家郑哲敏研究员。郑院士身材不高，身板依然硬朗；步速减缓，步态依然稳健；头发稀疏花白，头脑依然聪慧，科学思维依然敏捷。他每天上午都来上班，需要时下午也不休息，实在看不出已经九十高龄，说他八十岁不会引人生疑。从1947年做毕业论文算起，郑哲敏先生从事科学研究已经67年。荣获2012年度国家最高科学技术奖，是对他科学生涯的中肯评价。

师从钱学森

 郑哲敏先生1924年生于济南，祖籍浙江鄞县。父亲少时放牛，15岁到上海亨得利钟表行学徒，因聪敏诚勤19岁时被外派济南开店当了经理，后来自己创业成为老板。父亲为了圆大学梦，遭遇战乱仍然坚持供子女读书，还支持郑哲敏与兄长郑维敏出国留学。郑哲敏1947年清华大学毕业留校任教，1948年被学校推荐并考取全国仅一名的国际扶轮社奖学金，获得去美国加州理工学院留学的机会，1950年起在钱学森指导下攻读博士。
1947年夏，钱学森回国探亲时曾在上海交大、浙江大学和清华大学报告他关于工程科学的思考（发表于JCIE，Vol.6，1948。译文见《力学进展》2009年第39卷第6期）。做钱学森的学生后，郑哲敏有机会聆听老师阐述工程科学，并在老师直接指导下研究工程科学。钱先生要他做两项工作，一是陶瓷片抗热应力的强度，二是火箭发动机热应力的相似律。1938年钱学森在博士论文中预言，高速飞行器表面将被空气加热，而当时普遍认为飞行器将被周围空气冷却。钱学森独树一帜，预见高速飞行将遭遇“热障”。今天航天工程采用陶瓷片克服热障，而早在1950年钱学森就要博士生郑哲敏研究陶瓷片的热冲击抗力。1940年钱学森与他的导师冯 卡门，采用量纲分析方法，提出高超声速流动的相似律，大大推进了高超声速飞行器的实验研究。1950年钱学森要求郑哲敏掌握量纲分析方法，把火箭发动机简化为高热内流作用下的薄壁圆筒，研究热应力的相似规律。这两个题目，反映了钱学森的工程科学思想。郑哲敏脑快手快，一年多时间突破难点，在1951年秋就完成了博士论文，两项工作分别在1951年11月和1952年4月发表。回过头说，郑哲敏1947年在钱伟长教授指导下做的毕业论文？？关于一端固支另一端施加扭矩的薄壁筒扭转问题？？荐送清华校刊发表，恰是钱伟长在加州理工冯 卡门手下工作的继续，也是以“卡门？钱”为代表的应用力学学派的成果。从郑哲敏在两位钱老师指导下的三篇处女作看，他经历了工程科学研究从选题到攻坚克难的严格训练，名师高徒，出手不凡，对老师的工程科学思想有了切身体验并贯彻至今。
1952年6月，郑哲敏获得加利福尼亚州理工学院应用力学与数学博士学位并准备回国。就在当月30日，美国移民局找借口把郑哲敏关进1950年曾经关押过钱学森的那个监狱。取保出狱后，郑哲敏起诉申请自动离境，官司获胜却被当局以“美国利益”为由禁止离开居住地，直到1954年日内瓦会议中美大使会谈才被美国当局监视出境。1955年2月，郑哲敏终于跨过深圳罗湖桥，回到阔别七年的祖国。他如愿分配到中国科学院数学研究所钱伟长主持的力学研究室。当年9月为迎接钱学森回国，他曾受钱伟长先生委托起草筹建力学所方案（1956年1月中科院力学所正式成立）。10月8日钱学森回国后，他成为中国科学院力学研究所的创始成员，继续得到老师指导。到现在，郑哲敏先生已经在力学所辛勤耕耘58年。

研究爆炸力学

1959年底，郑先生领导的团队开始研究爆炸成形。这是一种金属板材成型技术，具体做法是板料下面放模具，板料上面有适当高度的水，起爆水中炸药使板材瞬间贴模成型（如图）。在上世纪五、六十年代年的中国，爆炸成型是一个替代大型机械设备加工的可行方案。

爆炸成形示意图

1960年初，在力学所现场观摩会上，爆炸成形小组用一发雷管把一块薄钢板炸成一个小碗。钱学森所长、郭永怀副所长大力支持这项研究，誉之为“新生事物”。在大跃进的潮流中，课题组立即就到工厂去推广爆炸成形，结果失败了，坐冷板凳灰溜溜回所。在贯彻“调整、巩固、充实、提高”方针和“大兴调查研究”之际，1961年开始冷静下来，科研工作回到实事求是的轨道，钱学森所长将目标确定为爆炸成形机理和模型律。研制微秒计时仪观测板料运动过程，1962年发现板料运动轨迹有一个弯折。郑先生由此认识到：除激波加载外，水中空化区闭合使爆炸产物的膨胀能经水体传递到板料，对板料二次加载。这样，对爆炸成形机理有了正确认识，再通过对实验数据的力学分析，1963年得到药量与总变形功成正比的能量准则（它是几何相似律的特例）。据此建立了力学模型，所做的计算结果与实验数据一致。综合上述认识，找到了工艺参数，成功用于生产。这一段的学术难点在于观测到了不能理解的新现象，开始误以为是假象而陷于困境。当认识到新现象是二次加载过程，就实现了由感性到理性的飞跃，对爆炸成形机理的认识获得突破，1964年获得国家一等奖。其后，大件爆炸成形遭遇困难，采用分瓣惯性模得以解决。由此得到的基本经验是：“从工程技术中来，到工程技术中去”这一基本公式有一个中间环节？？“创造有科学根据的工程技术理论”是工程科学研究的画龙点睛之笔。1960年形式上按“从工程技术中来，到工程技术中去”做，丢却了作为精髓的中间环节，实质上偏离了工程科学之路。
爆炸成形和定向爆破筑坝等研究，使郑先生领导的团队走进爆炸领域。1963年，钱学森所长在爆炸成形学术会议上用“爆炸力学”概括这个新兴的力学分支。按照郭永怀副所长安排，1964年郑哲敏团队承接国防科委某所的项目“地下核爆炸力学效应研究”。经典力学中固体用应力－应变的弹性、塑性关系描述，流体则用压力－密度－温度的状态方程和剪力与速度梯度的粘性关系描述，两个体系是截然不同的。当时国外文献处理地下核爆力学效应时，沿袭流体、固体分开的做法分区处理，而流－固分区的界限其实不清楚。郑先生与合作者解伯民先生认为，对于地下核爆将流－固截然分开不可取，在1965年5月独立于国外提出了统一的流体弹塑性体模型。他们认识到地下核爆炸从近爆心到远离爆心载荷的不同，以及同一点加载与卸载的历史变化过程也不同，指出在高压状态下介质呈现流体特性，在较低压力状态下又呈现固体性质，建立了统一的本构关系。使用该模型成功地处理了高速加载和高速变形下岩石的流动与变形问题，为我国首次地下核试验提供了服务，对各种仪器的布置提供量程预报。1968年底郑先生被迫中断科研，但先生提的流体弹塑性体模型成功应用于1969年9月23日中国第一次地下核试验，预报爆炸当量为2万吨。这以后，力学所继续与有关单位协作，参加数次核试验，讨论力学效应试验方案，分析整理力学效应的试验资料，结合爆后开挖现场考察，给出了岩体中应力波传播规律。多年的事实证明，核试验的现场实测与流体弹塑性体模型的数值计算符合较好，能较好的反映地下核爆炸过程。
上世纪七十年代初，为适应战备需要，中央军委下达“穿甲弹、破甲弹和碎甲弹侵彻机理研究”的项目，力学所参加了这项工作。从“干校”回所的郑先生带领课题组，与有关单位通力合作，将流体弹塑性模型用于金属等材料，解决了穿甲相似律、金属聚能射流稳定性、破甲模型律、金属装甲及复合装甲的穿破甲机理等一系列问题。发现玻璃钢在高速射流侵彻时热裂解，产生气固两相流干扰射流的新现象，提出了玻璃钢对聚能射流的干扰机理。
“流体弹塑性模型及其在核爆与穿破甲方面的应用”，获1982年国家自然科学二等奖。流体弹塑性模型的成功，进一步说明：实际需求是爆炸力学发展的主要动力，理论创新和实际应用的紧密结合是爆炸力学发展的源泉。
1976年，力学所开始金属板爆炸复合机理和工业应用等工作，进行系统的理论分析与实验研究。实验证实两块金属板复合的界面有时呈现波纹状（如图），而且只有这时两块金属板才能牢固结合。郑先生指出这是爆炸驱动的板料碰撞时呈现流体性质，界面失稳形成“波浪”，随载荷迅速下降材料恢复固体性质将“波浪”冻结。这个判断得到实验和数值分析的证实，并指导确定爆炸复合工艺参数。该项目于1989年获中国科学院自然科学一等奖。现在，爆炸复合已经在国内成为一个有相当规模的产业。

爆炸复合时界面失稳的金相照片

“绝热剪切带”是强冲击导致的剧烈变形带，其中的应变可以高达“一”的量级，属于流体弹塑性体模型的一类稳定性问题。郑先生的学生白以龙在上个世纪八十年代初访问英国时，提出一个简化的模型方程，解决了热塑失稳准则等一系列问题。郑先生参加“为什么热塑剪切带会这么窄（微米到百微米）”的讨论，最后发现，向外的热耗散与向内做的功相抗衡，决定了剪切带的结构和宽度，并从理论上得到了功热抗衡决定剪切带宽的定态模式，与实验数据以及简化分析一致。在这里，从工程技术提出的金属局部相变问题上升为对热塑失稳现象的理论认识，获得国内外学术界高度评价，白以龙、郑哲敏等于1992年获国家自然科学奖二等奖。
流体弹塑性体模型成为一个理论标志，是二战后至今爆炸与冲击的力学效应方面最重要的进展。它来自工程技术问题，上升为爆炸力学的一个基本模型，指导获得了多项工程技术的原理，还引导出热塑失稳理论，成为工程科学反馈基础科学的一个典型事例。
对地下核爆现象的认识，是力学所对流体弹塑性体认识“从工程技术中来，到工程技术中去”的第一个循环。对高速侵彻现象的认识是第二个循环。爆炸复合界面失稳理论、热塑失稳理论，是第三个、第四个循环。每个循环都在中间环节？？“创造有科学根据的工程技术理论”上做出创新亮点。应用流体弹塑性体理论解决实际问题的“从工程技术中来，到工程技术中去”的循环，还将继续下去。

坚持钱学森工程科学（技术科学）思想

力的作用和物质的运动，是自然界和人类活动中最基本的现象。这正是力学学科的研究对象，从而奠定了力学在自然科学中的基础地位，还使力学成为应用极其广泛的工程科学（或称技术科学）。实践证明，应用力学的性质决定了应用力学研究应当走钱学森主张的工程科学研究之路。国民经济和社会发展需求，是促进工程科学发展的强大动力。
1956年1月6日，钱学森在力学所全体会上报告，把工程科学作为建所思想。钱学森多次说：“回国感到受益最大和令我高兴的是，在国外多年摸索出来的方法，在精神上是和《实践论》和《矛盾论》的原则相符合的” 。郑先生从美国回来后也有同感。1957年钱学森在《科学通报》第4期发表“论技术科学”，进一步阐述工程科学（或技术科学）思想。1984年2月，郑先生接替老师出任力学所第二任所长，继续按工程科学思想建所。至今力学所各届所长，一直都坚持以工程科学思想建所。
然而，钱学森的工程科学思想不仅来自应用力学，它还是二战时研制原子弹和雷达的经验总结。所以钱学森工程科学思想包含着力学之外其他技术科学学科也适用的基本规律，并且得到若干技术科学其他学科专家的认可。1955年中国科学院设立学部，借鉴苏联经验设置了技术科学学部，把数、理、化、天、地、生之外的其他学科都纳入了技术科学部，但是对于门类繁多的技术科学的共性和发展规律缺乏深刻的战略认识。1996年6月，时年72岁的郑哲敏先生当选中国科学院新一届主席团成员、主席团执行委员会成员和技术科学学部主任。他“建议开展技术科学发展战略的研究”。指出，“近二、三十年来科学技术和社会经济高速发展的经验表明，在新世纪里，技术科学必将发挥更大的作用，对此我们应当做好充分的准备”。然而，“在我国，甚至在科技界，人们对技术科学往往缺乏正确的认识，因此有重新认识和加强宣传的必要”。从此开始，郑哲敏先生在各种会议上讲话、做报告或发表文章，反复阐述钱学森的技术科学思想，认为技术科学对于实现“科教兴国”战略有重大意义，呼吁科学界和制订科技战略的领导机关重视技术科学，按照技术科学发展规律办事。兹将其中要者列举如下：
(1) 1998年6月，郑先生在第九次院士大会上再议技术科学发展战略调研，希望找出主要问题，抓住具有方向性、关键性、全局性、前瞻性的重要问题进行研究。
(2) 1999年4月26~27日，出席学部在京召开的“技术科学发展研讨会”，郑先生在会上作“有关技术科学的一些思考”的报告，王大珩、师昌绪院士也做了报告，张光斗、罗沛霖院士提交书面材料，路甬祥院长在会上发言。
(3) 1999年10月17日，郑先生在中国科学院学部咨询工作委员会会议上的发言，阐述发展高技术和新兴产业、改造基础工业都需要技术科学，指出我国技术科学方面存在的问题。
(4) 2000年2月17日，参加中国科学院学部学科战略研究总体组会议，修改技术科学发展战略研究提纲。
(5) 2000年3月29日，针对对技术科学缺少深刻认识的现状撰写“技术科学的再认识”一文。
(6) 2000年4月3日，在中国科学院技术科学部战略咨询会议上做“关于技术科学战略咨询”的发言。
(7) 2000年6月，郑先生卸任技术科学部常委、主任和学部主席团成员，撰写“论技术科学和技术科学发展战略”。
(8) 2001年2月8日，撰写“关于技术科学与技术科学思想的几点思考”投送中国科学院院刊，于当年第2期发表并收入《郑哲敏文集》（科学出版社，2004年）。
(9) 2001年11月19~20日，为祝贺钱学森先生90寿辰，“新世纪力学学术研讨会？？钱学森技术科学思想回顾与展望大会”在清华大学召开。郑先生致开幕辞并作题为“学习钱学森先生技术科学思想的体会”的报告（刊登于会议文集《钱学森技术科学思想与力学》，国防工业出版社，2001年，以及《力学进展》2011年31卷第4期并收入《郑哲敏文集》）。
(10) 2001年12月10日，郑先生出席“钱学森科学贡献和学术思想研讨会”，做题为“钱学森技术科学思想”的报告。
(11) 2005年12月6日，在“庆祝力学研究所建所50周年暨钱学森回国50周年大会”上，郑先生以“钱学森的技术科学思想和力学所的建设和发展”为题讲话。
(12) 2011年4月8日，郑先生到合肥中国科学技术大学，在纪念钱学森百年首场科学报告会上作报告，题为“工程科学与应用力学”。
(13) 2011年8月22~24日，郑先生赴哈尔滨参加中国力学大会2011暨钱学森百年诞辰纪念大会，做纪念钱学森的报告。
(14) 在《力学学报》2011年43卷第6期，郑先生发表论文“学习钱学森先生技术科学思想的体会”。
(15) 2011年11月18日，郑先生在中国科学院科普论坛上报告“钱学森的科学技术贡献和他的技术科学思想”。
(16) 2011年12月6日，郑先生上午在中国科学院纪念钱学森诞辰百年大会上讲话，下午在研讨会上发言。
上述事例说明，这是郑哲敏先生近二十年持续关注的大事，是他最期望解决的战略问题。本文不厌其繁地列举这些事例，希望由此引起读者和有关方面切实关心和认真研究。

希望

郑哲敏先生是钱学森先生工程科学思想的实践者。他的巨大成功，除了本人勤奋聪慧坚毅、受到优质教育、适逢振兴中华的历史机遇外，践行钱学森的工程科学思想是一个重要因素。
当今中国实行改革开放，国力日盛，正面临一个关键的转折期或转型期，如同传说的“鲤鱼跳龙门”那样，或者奋力跃进发达国家行列，或者止步于“中等陷阱”、挣扎于重重难解的矛盾之中。“科教兴国”是胜利实现关键转折的国策，而大力发展技术科学是实现“科教兴国”的一项战略措施。
2013年1月国家主席颁奖、2月总书记宴请之后，耄耋之年的郑哲敏先生，除了准备在关系国家发展的重要领域再指导年轻人做一些研究工作之外，还希望科学家与科技政策制订者深刻认识技术科学发展规律，制订并实施技术科学发展战略，为实现振兴中华的梦想奠定技术科学基础。