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郑哲敏（1924—2021年）
著名物理学家、力学家、爆炸力学专家
中国科学院院士、中国工程院院士、美国国家工程院外籍院士
2012年度国家最高科学技术奖获得者
中国爆炸力学的奠基人和开拓者之一
中国力学学科的建设者之一
1955年，郑哲敏进入中国科学院工作。同年秋天，我国著名科学家钱学森也回到祖国，创建了中国科学院力学研究所。20世纪50年代，中国百业待兴，其中包括刚刚开启的航天事业。当时，中国航天事业正处于攻坚克难的关键时期，科学家们全心致力于“两弹一星”的研制工作。由于中国在零部件加工工艺方面起步晚，导致火箭内部的部分零件无法精准制造，尤其是一些形状特殊的关键零件。即使克服困难制造出零件来，由于零件精密度不达标，也无法投入使用。这成了火箭成功发射上天的一大障碍，对于刚进入中国科学院工作的郑哲敏来说，这是他面对的一大挑战。
20世纪50年代末，郑哲敏和他的同事开始研究爆炸成形。他想：既然爆炸能够在瞬间产生巨大的冲击力，何不把需要的零件“炸”出来？长期从事力学研究的郑哲敏很快就提出了“爆炸成形”的大胆假设，并率领团队进行严谨的理论论证。所谓爆炸成形，就是通过控制爆炸时能量释放的方向和力度，将材料炸成预先设定的形状。
随后，郑哲敏来到北京汽车厂进行实验，他想到，工人们可以把薄钢板拉成汽车面板、前罩、后罩、灯罩等东西，他就跟工人说要用炸药“炸一个后箱盖”。当时，工人很难理解“炸一个后箱盖”是什么意思。但郑哲敏觉得，通过控制爆炸产生的能量和方向来将物体“炸”成预先设定的形状，应该很容易。于是，郑哲敏及其团队就开始制作模具：把钢板铺在底座上，底下是空的，上面放炸药，然后加入水。用水来传递爆炸的能量，应该比空气传递效果好。
但是实验的时候，一爆炸，那块铁板就像一块布一样被炸烂了，有的地方出现了褶皱，有的地方破了。郑哲敏及其团队在复盘时分析：“操作的时候可能有点盲目，爆炸的速度很快，模具里的气体跑不了，爆炸后气体回鼓，气压高低不同，就破了，产生了褶皱。”他们又想到利用抽真空等方法将铁板炸出来。后来铁板炸出来了，但是依然达不到汽车要求的精度，工人们于是不再接受他的方案，把他从汽车厂“客气地请出去了”。
冲击波的原理
根据水中冲击波和理想塑性力学的原理，郑哲敏提出了爆炸成形的几何相似律并得到实验验证。他还注意到，在待成形的板材充分薄的条件下，如果成形所需的炸药量与板的厚度成正比，则炸药的能量利用率是常数。因此，他又在几何相似律的基础上，提出了更为简便的能量准则。
你可以简单地将冲击波理解为小汽车开得飞快时，空气被挤压，形成的一个压力大的波浪，就好像我们在水中拍手时水花溅起来一样。这个压力波就叫作冲击波，它是一种在高速、高压作用下产生的不连续峰的传播。
而理想塑性力学就像是在玩弹簧游戏：当你用手拉弹簧的时候，一开始它会变形，就像橡皮筋被拉长一样。在理想塑性力学里，假设你把弹簧拉得够远，它就会停在那里，不再弹回去。这就好像在游戏中，一旦你拉动弹簧到一定程度，它就保持这个形状，不再变回原样。就是这么简单，一次变形，永远保持！
当时，没有良好的设备，也没有足够的数据，进行科学研究的条件相当匮乏。但是，对于郑哲敏来说，能力和决心就是解决问题最强有力的武器。缺少先进设备，郑哲敏就和团队成员自制“土装备”，冒着安全性较低和故障率较高的风险，一点一点搭建设备原型。没有数据，郑哲敏就采用“笨办法”，一个数字一个数字进行计算，得出结果后再反复验算。当时，国内很多人都觉得，郑哲敏的这种想法是天方夜谭：人怎么能够控制爆炸呢？但是让所有人都没有想到的是，仅仅几年时间，郑哲敏及其团队就用事实作出了最强有力的证明。
郑哲敏的研究团队在测量板材变形的实验研究中发现，板材运动有二次加速的现象。郑哲敏对这个现象开展了理论探讨。理论计算表明，水中冲击波的反射导致邻近板材的水发生空化，而且空化区不断扩大。另外，根据水下炸药爆炸的理论，爆轰波和产物膨胀会引起冲击波在水介质中传播。这个冲击波会对周围的水产生力的作用，后者将驱动周围的水加速冲向四周。当空化区消失时，板材的运动速度小于被火球驱动的水的速度，故而发生碰撞，使板材再次加速。郑哲敏对球壳的爆炸成形数据进行了全过程的计算，证实了上述认识，从而阐明二次加速的原因和爆炸成形的原理。
1960年，在中国科学院力学研究所的空地上，随着一声爆炸声响起，一团白色的硝烟腾起，第一次爆炸成形试验取得成功，一块手掌大小的镀锌圆板，被镭管炸成一个三四寸大小、形状规整的黑乎乎的小碗。当时，钱学森激动地举着它说：“别看现在得到的是一个小小的爆炸成形件，将来可以发展成为生产航天工程中直径几米的大部件，可能会在机械工业领域产生重大变革。”咱们可不能小瞧这个黑乎乎的“小碗”，它代表着一项重要技术的突破，这个形状规则的“小碗”不是靠普通的切割等技术，而是用“爆炸”的方法，并且原材料是一个单发雷管（金属块）。为何说这个成形的“小碗”是技术上的重要突破呢？这是因为“爆炸”本身就是一件较难控制的事情，通过爆炸来“炸”出一个碗，需要精准计算炸药爆炸时释放的能量、爆炸时间，以及炸药量。“小碗”的出现，标志着我国成功攻克了一个技术难题，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设的形状。将此项技术应用在制作导弹和火箭的喷管中，就是爆炸成形技术。“爆炸成形”试验的成功，是一个重要证据，验证了郑哲敏提出的“爆炸成形的机制和模型律”的合理性。航天部门在此基础上，通过与其他部门的工艺相结合，成功制造出高精度的导弹零部件，而“爆炸力学学科”也以此为开端，_蓬勃发展。
提起爆炸，人们往往首先联想到战场上的炮火、硝烟乃至原子弹、氢弹的巨大威力。除了用于民用工业建设之外，郑哲敏的爆炸力学在国防工业方面也扮演着重要的角色。
1965年，郑哲敏与核科学家团队提出了流体弹塑性模型，这个模型是关于爆炸和冲击力作用下的介质（流体、固体）的特性及运动规律的统一方程描述，是爆炸力学学科的经典应用标志。该模型可准确预测地下核试验压力衰减规律，为我国首次地下核爆预报作出了贡献。
地下核爆炸计算模型中岩石变形的区域划分
众所周知，地下核爆炸瞬间，周围环境会形成一种极其高温、高压的状态，同时释放巨大的能量。此时，在爆炸周围的岩石中会形成非常强烈的冲击波，冲击波向岩石周围传播的时候，岩石会产生气化、液化、破碎、破裂等效应。针对地下核试验问题，郑哲敏等人将爆炸室周围的岩石变形划分为5个区域：气化区、液化区、压碎区、破裂区和弹性区。
冲击波是由于突然释放的能量在空气或其他介质中形成巨大波动而产生的。其强度和效应取决于爆炸的规模、类型及周围环境的条件。这些能量迅速传播到周围，就像我们扔石子到水里会看到水波一样，只是冲击波更强大。冲击波可对周围物质起到破坏、抛掷、压缩等作用，造成巨大的灾害，但在爆破拆除、矿山开采等领域有广泛的应用。
这个能量传播的过程就像一圈圈的震动，它让空气和周围的东西都被挤压和撞击，就像是一阵无形的大风一样，能够让东西摇晃、碎裂，有时候甚至会引起爆炸。所以，爆炸的时候，不仅有响声，还有强大的冲击波，会让周围的一切都感受到“轰隆隆”的力量。
对于地下核爆的物理现象，郑哲敏及其团队在报告中作了如下描述：起爆后短时间内，爆炸室就充满了高温、高压气体（目前人们一般称之为“等离子体火球”），其压力可达几百万大气压，温度可达几万摄氏度。高压气体突然作用在爆炸室的边壁上，在周围的岩石介质里形成不断向前推进的激波。
激波与冲击波不同，激波是一种波动现象，当物体以超过声速（声波，在空气中的传播速度是340米/秒）的速度移动时，就会产生激波。在激波向前传播的过程中，如果传播介质中的压力、密度、温度等突然发生变化，激波就不连续了，形成间断。
在爆炸室附近，激波强度很高（或者说，跳跃很大，即一种“强间断”），足以使岩石的状态超过气化（物体由固态或液态转化为气态）的临界点，所以这一部分岩石就变成了气体，相应的区域为 “气化区”。
激波的压力在传播过程中会逐步下降，在低于气化临界点但仍高于液化（物体由气态或固态转化为液态）临界点的区域里，岩石就只能变成液体，此区域则称为“液化区”。
在较远距离处，即激波压力低于液化临界点以后，岩石便可以保持固体状态。不过它们可依据激波压力的不同分为不同区域：在“压碎区”，激波压力仍能达到几十万大气压以上，由于岩石的抗剪能力有限，这里的岩石在受到激波压缩作用时剪应力超过剪切强度而变形粉碎。
激波走时和岩石变形区域的形成
我们可以通过一块巧克力来理解压碎区：你可以想象这里有一块坚硬的巧克力，当有很大的力量压在上面时，这块巧克力可能会破碎成小块或变成碎屑。岩石也是如此，当它们承受很大的力量时，就会发生类似的情况，岩石可能会破碎成小块或颗粒，而不再是一个坚硬的整体。
在爆炸形成的压碎区域外，是“破裂区”，岩石在这个区域受到超过拉伸强度的力的作用而产生断裂，岩石裂缝的方向大多为径向（但也会存在裂缝朝四周方向伸展的情况）。
破裂区以外便是“弹性区”，此时激波已经退化为弹性波，它可以传播到很远的范围。
弹性波是一种能够在物质中传播的波动，就像把一个橡皮球弹起来一样。当你在橡皮球上施加压力并迅速释放时，橡皮球会弹起并产生波动，这就是弹性波。
对于各个区域中的介质模型，郑哲敏及其团队给出了如下说明：（1）在弹性区，岩石假设为各向同性的弹性体并有一定规律。（2）在破裂区，岩石仍处于弹性状态，但对裂纹宽度有一定限制。（3）在压碎区，这里的情况最为复杂，由于周围岩石的抑制，被压碎的岩石并不会飞散开来，仍可认为是连续介质。（4）至于液化区和气化区，介质就直接按照流体来处理。
这样，郑哲敏等人便给出了描述地下核爆现象的基本方程，它是包括连续方程、运动方程、能量方程和状态方程的一组拟线性偏微分方程，爆炸后的气化区、液化区、压碎区、破裂区和弹性区中的岩石都可以使用流体弹塑性模型。
综上所述，“流体弹塑性模型”的要义就是：在核爆炸的时候，激波随着时间的衰减及其变化会让岩石发生不同状态的变化。当激波应力比材料剪切强度大得多时，把固体当作无黏性可压缩流体处理（亦可称之为“流体动力学模型” 或“流体动力学近似模型”）；当激波应力接近于材料屈服应力（材料能够承受的最大作用力）时，就需计算材料的剪切强度效应；当激波应力接近材料拉伸强度时需考虑拉伸破裂；当激波应力再降低时，只需考虑弹性。
此外，郑哲敏研究团队在完成预报地下核爆的力学模型和计算方案时，特别指明了工作中存在的问题和解决的途径。郑哲敏在1967年亲笔书写的报告中提出了以下几点：（1）空腔大小问题。目前算得的尺寸太小，建议改变参数。（2）弹性区模型问题。目前的结果与试验数据不太相符，建议可通过实验室岩石试验引入摩擦效应，亦可考虑采用有磁滞效应的模型，但哪种模型比较符合实际，只有通过自己的化爆试验来解决。
郑哲敏的手写稿
郑哲敏提出了“我们必须进行化爆试验”的建议，对此他写道：“由于理想弹性的假设和人工黏性，目前的数值计算应用于化爆的把握不大，预报核爆远区应力的把握也不大。因此，化爆试验是必需的，其目的是为建立低压区的理论模型提供依据。”在这份报告中，郑哲敏还详细论证了化爆试验的药量、地质条件、测量项目、应力探头及其埋设方式等。
我们可以从书写报告的丰富内容、清秀笔迹看出郑哲敏学风严谨。他曾这样谈及科研工作：“科学研究是枯燥和辛苦的，要经得起寂寞和痛苦。”在科研工作中，是对国家、对事业忠诚的精神在支撑着郑哲敏不懈地探索科学难题，不断地攀登科学高峰。他无愧于“心系祖国，始终以国家需求为己任，呕心沥血，严谨创新，团结奋进”的评价。
作为一名卓越的科技工作者，郑哲敏在应用力学和爆炸力学的学科发展上作出了创造性贡献。他对祖国充满热爱，在对科学的追求、对事业的执着方面都展现出卓越的品质。
郑哲敏长期从事水弹性力学、固体力学的研究，他不仅在理论研究上成就斐然，还擅长将理论研究的成果应用到实际问题中。他提出的流体弹塑性模型和理论，在爆炸加工、岩土爆破、核爆炸效应、穿甲破甲、材料动态破坏、瓦斯突出等多个领域里取得了重要成果。
郑哲敏还特别关心我们的地球家园，他提倡研究海洋工程力学、材料力学性能和环境灾害力学，这样我们就能更好地保护我们的家园。他和团队创建了中国科学院力学研究所非线性连续介质力学开放研究实验室，这一举措为推动中国力学事业的发展作出了卓越贡献。
在国际上，郑哲敏就像中国力学界的大使，他积极参与组织相关的学术研究，努力促进国际合作，提高了中国的国际影响力和地位。郑哲敏是一名科学家，也是一名心系祖国、始终以国家需求为己任的爱国人士。他不仅严谨创新，平易近人，还为祖国培养了大批力学领域的杰出人才。
郑哲敏作为科技团队的组织者和领路人，目光深远，倡导并身体力行“做第一流的工作”。作为应用力学和技术科学的实践者，郑哲敏堪称坚持和发展钱学森技术科学思想的典范。
他在科研工作中非常强调实用，没有停留在理论研究上，也没有固步于论文发表，而是开拓了非常广泛的应用领域。在他的理念里，这才完成了一个“循环”。郑哲敏的学术风范和优秀品质值得我们学习和发扬。
