鄭哲敏

(中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，北京 100190)

中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所在“大躍進(jìn)” 后期開展了爆炸成形的研究，1961 年接受國(guó)家有關(guān)部門的委托任務(wù)，1962 年取得重要進(jìn)展，1963 年順利完成任務(wù)，1964 年受到三委(國(guó)家計(jì)委、經(jīng)委和科委) 的獎(jiǎng)勵(lì)，之后又陸續(xù)取得新的成果(圖1)。

圖1 爆炸成形示意圖

作為科學(xué)研究的經(jīng)驗(yàn)，有幾件值得記取的事，簡(jiǎn)要敘述如下。

1 堅(jiān)持科學(xué)研究

20 世紀(jì)50 年代末，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所當(dāng)時(shí)的第四研究室通過(guò)調(diào)研和廣泛的討論，提出將“高速、高壓塑性動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用” 作為自己的研究方向，并迅速得到力學(xué)所和科學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的同意。作為這個(gè)方向下的一個(gè)具體項(xiàng)目，在“大躍進(jìn)”思潮的影響下，爆炸成形研究一開始便下工廠實(shí)踐，以為可以輕易取得成果。當(dāng)時(shí)我們到的第一個(gè)工廠是位于北京大北窯的北京汽車廠，第一個(gè)要成形的零件是全尺寸的小轎車行李箱蓋。結(jié)果可想而知：先是因未抽真空，根本無(wú)法成形，后來(lái)不是工件破裂便是形狀實(shí)在達(dá)不到要求，因而徹底失敗了。不過(guò)也有收獲，摸索到了爆炸成形工藝和模具設(shè)計(jì)的一些最基本的知識(shí)。接著，又選擇過(guò)別的零件，如汽車的燈罩，這是個(gè)一般需要多次深拉延成形的部件，自然也沒(méi)有做成。最后，工廠的耐心和積極性都沒(méi)有了，我們被禮貌地請(qǐng)出工廠。好在我們畢竟是從研究部門出來(lái)的，利用工廠的條件，進(jìn)行了若干典型零件的不同尺寸、不同板材厚度、不同炸藥量的系統(tǒng)試驗(yàn)，并且以經(jīng)驗(yàn)公式方式整理了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

北京汽車廠之后，我們又去過(guò)包括長(zhǎng)春汽車廠和杭州鍋爐廠在內(nèi)的其他一些工廠，炸出過(guò)幾個(gè)大體合格的零件。在此期間，我們一直堅(jiān)持典型零件成形的系統(tǒng)試驗(yàn)，積累了寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這為以后模型律的研究提供了十分重要的基礎(chǔ)。此外，我們還利用彈性波反射的原理，用很簡(jiǎn)陋的方法，粗略地測(cè)定了水中沖擊波的強(qiáng)度與波長(zhǎng)，使我們對(duì)爆炸成形條件下沖擊波的特性有了定量的認(rèn)識(shí)。這些知識(shí)對(duì)于我們學(xué)習(xí)水下爆炸的理論、分析和理解爆炸成形的機(jī)理有很大的好處。為了了解零件成形的動(dòng)態(tài)過(guò)程，我們還專門抽調(diào)人力，研制微秒計(jì)時(shí)儀，以定量測(cè)定零件運(yùn)動(dòng)的時(shí)間歷程。正是這項(xiàng)技術(shù)的成功實(shí)現(xiàn)，使我們發(fā)現(xiàn)了所謂“二次加載”的現(xiàn)象，即板料運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的第二次加速現(xiàn)象。后來(lái)的發(fā)展表明，這是理解爆炸成形機(jī)理的關(guān)鍵一步。

這些事實(shí)告訴我們，在研究條件不太好的“大躍進(jìn)”中，堅(jiān)持最基本的科學(xué)實(shí)驗(yàn)是何等重要，哪怕這些實(shí)驗(yàn)的全部意義在當(dāng)時(shí)可能還不很明確。

2 唯有研究得深才能得到真正有科學(xué)價(jià)值和實(shí)用價(jià)值的結(jié)果

“大躍進(jìn)” 之后緊接著是三年“調(diào)整、鞏固、充實(shí)、提高”的時(shí)期，也是力學(xué)所爆炸成形研究快速取得最重要成果的時(shí)期。從外部環(huán)境來(lái)說(shuō)，其原因主要是，群眾運(yùn)動(dòng)的壓力和外界的干擾減小了，人們有機(jī)會(huì)進(jìn)行反思，重新回到比較實(shí)事求是、按科學(xué)規(guī)律辦事的軌道上來(lái)。

對(duì)我來(lái)說(shuō)，那時(shí)最有影響的有兩件事。一是中央發(fā)表的關(guān)于科學(xué)研究的“十四條”，二是20 世紀(jì)60年代初在人民大會(huì)堂召開的一次首都科技界大會(huì)，前者強(qiáng)調(diào)要按科學(xué)規(guī)律辦事，其中聶榮臻同志在報(bào)告中提到的要全面部署配套的科研工作，給我的印象尤深；后者表達(dá)了中央對(duì)我國(guó)的科技界的殷切期望，加強(qiáng)了科技工作者的責(zé)任感。

恰好在那個(gè)時(shí)候，我們接到研究爆炸成形的委托任務(wù)，這對(duì)提高大家的積極性有很大的作用，因?yàn)樗馕吨谝欢螘r(shí)間內(nèi)，科研條件會(huì)有所改善，可以有個(gè)比較穩(wěn)定的工作地點(diǎn)而不必到處找工廠打游擊，說(shuō)服他們接受我們?nèi)プ鰧?shí)驗(yàn)了。與此同時(shí)，錢學(xué)森所長(zhǎng)指定要在1963 年由力學(xué)學(xué)會(huì)和機(jī)械工程學(xué)會(huì)聯(lián)合舉行有關(guān)爆炸成形的學(xué)術(shù)會(huì)議，從而增加了我們的緊迫感。

于是我們利用爆炸成形工作從原第四研究室調(diào)整到第二研究室的機(jī)會(huì)，將一個(gè)研究組分作成形組、載荷組和材料組，并且充實(shí)了研究力量，在深化研究工作的同時(shí)開展有關(guān)知識(shí)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)。另一方面，與工廠密切合作，進(jìn)行為建立模型律而設(shè)計(jì)的專門實(shí)驗(yàn)。

對(duì)我來(lái)說(shuō)，當(dāng)時(shí)集中考慮的問(wèn)題主要有兩個(gè)。第一個(gè)問(wèn)題是二次加載的機(jī)理問(wèn)題(圖2)。從事后看，這個(gè)問(wèn)題并不十分復(fù)雜，但在當(dāng)時(shí)著實(shí)費(fèi)了不少腦筋，帶來(lái)許多不眠之夜。通過(guò)計(jì)算很快發(fā)現(xiàn)，如果變形受到一定的阻力，那么由于水中高壓沖擊波反射產(chǎn)生的稀疏波所導(dǎo)致的空化(即汽化) 作用，水中沖擊波可以將更多的機(jī)械能傳遞給板料，提高炸藥能量的利用率。另外，根據(jù)水下爆炸的理論知道，沖擊波的能量只占炸藥能量的二分之一，還有大約二分之一的能量可以部分地用來(lái)做功。問(wèn)題是后者是如何具體實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)聯(lián)系，即空化區(qū)的閉合(即消失)，是在研究組的一次研討會(huì)上，當(dāng)我做關(guān)于空化問(wèn)題的報(bào)告時(shí)，突然在腦海里出現(xiàn)的。一經(jīng)出現(xiàn)，以二次加載為關(guān)鍵環(huán)節(jié)的爆炸成形機(jī)制便變得十分清晰和簡(jiǎn)單，致使把它用于具體計(jì)算球殼在爆炸作用下的變形過(guò)程成為順理成章的事了。

圖2 球?qū)ΨQ爆炸時(shí)板料、水球、爆炸氣球的時(shí)間-路程曲線示意圖。

另一個(gè)集中考慮的問(wèn)題是爆炸成形模型律問(wèn)題，這也是錢學(xué)森所長(zhǎng)要求我們首先解決的問(wèn)題。我們建立的爆炸成形模型律有三個(gè)層次。首先，無(wú)論是水還是爆震產(chǎn)物都可以當(dāng)作無(wú)黏性的可壓縮流體。金屬的強(qiáng)度雖然同應(yīng)變率有關(guān)，但也只有當(dāng)應(yīng)變率有數(shù)量級(jí)變化時(shí)，它的影響才需要考慮。因此，從理論上講，幾何相似律應(yīng)當(dāng)是近似成立的。這個(gè)判斷為我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。其次，在我們重新整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在固定變形量的條件下，所需的炸藥量近似地同板料的厚度成正比，國(guó)外的有些計(jì)算公式也表明了這一點(diǎn)。我們知道，在厚度足夠小時(shí)，薄膜應(yīng)力遠(yuǎn)大于彎曲壓力，所以總的變形能一定也同厚度成正比。因此，藥量與厚度成正比實(shí)際上表示藥量與總的變形能成正比，它所表達(dá)的是一種能量關(guān)系。于是我們稱這個(gè)關(guān)系為能量準(zhǔn)則，它是幾何相似律的特例。最后，我們根據(jù)前述成形機(jī)理，對(duì)球殼的爆炸脹形過(guò)程進(jìn)行了具體的計(jì)算，表明能量準(zhǔn)則的確是一個(gè)不錯(cuò)的近似，從而為能量準(zhǔn)則提供了理論解釋。

我們?cè)?962 年取得了這些重要進(jìn)展，于1963 年從容地完成了委托單位和錢學(xué)森所長(zhǎng)交給我們的任務(wù)。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，這項(xiàng)工作無(wú)論在深度、廣度上還是在系統(tǒng)性上，都明顯地要比國(guó)外強(qiáng)，并且通過(guò)這項(xiàng)研究，使我們對(duì)水下爆炸對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用有了更深刻的理解。我們發(fā)展的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和測(cè)量?jī)x器也被證明是很有用的。

3 完成“實(shí)踐－理論－實(shí)踐” 的一次循環(huán)

以上成果被迅速推廣，但是新的實(shí)踐又提出了新的問(wèn)題，其中最突出的是爆炸成形的模具強(qiáng)度和材料的力學(xué)性質(zhì)問(wèn)題。這里介紹一下與模具強(qiáng)度有關(guān)的問(wèn)題。按照幾何相似律，模具的重量正比于零件尺寸的三次方。因此，對(duì)于大型零件，模具設(shè)計(jì)成為很突出的問(wèn)題。我們?cè)趯?shí)踐中很快就遇到了它。盲目地按比例放大模具以保證其強(qiáng)度顯然是不可行的，因?yàn)槟＞叩闹亓刻罅?。根?jù)我們的理論，板料撞擊模具的時(shí)刻，它后面緊跟著水，好似剛體運(yùn)動(dòng)一樣沖向模具。如果我們把模具設(shè)計(jì)成在外界沖擊下可以分塊散開來(lái)的話，那么如同一個(gè)彈子撞擊另一個(gè)原先靜止的彈子一樣，只要設(shè)計(jì)得當(dāng)，后者會(huì)被擊走，前者會(huì)停下來(lái)。這樣，不僅模具受力很小，而且成形后零件的精度還可以得到保證。我們把這個(gè)完全理論上的判斷，立刻應(yīng)用到一個(gè)大型的封頭狀零件上去，效果極佳。伴隨著爆炸的巨響，當(dāng)煙霧消去之后，人們看到，雖然模具已經(jīng)橫七豎八地被拋在周圍，成形后的零件卻巍然不動(dòng)地站立在那里。

這項(xiàng)被我們稱為“慣性模” 的技術(shù)很快得到推廣，人們不僅把它應(yīng)用于大型零件，而且應(yīng)用于通過(guò)一次爆炸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)成形、開孔、卷邊等多種工藝。

前面講的事已經(jīng)過(guò)去了近四十年，事情也不大，但每當(dāng)回憶起來(lái)的時(shí)候，都不免為當(dāng)時(shí)那種緊張而團(tuán)結(jié)熱烈的氣氛所感染。我和許多其他參加工作的同志一樣，都在那次難忘的經(jīng)歷中增長(zhǎng)了做科研和組織科研工作的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)在把它寫出來(lái)，如果被認(rèn)為還有一些價(jià)值的話，大家都會(huì)很高興。