記20 世紀60 年代初爆炸成形研究中的一段經(jīng)歷

鄭哲敏

(中國科學院力學研究所，北京 100190)

中國科學院力學研究所在“大躍進” 后期開展了爆炸成形的研究，1961 年接受國家有關部門的委托任務，1962 年取得重要進展，1963 年順利完成任務，1964 年受到三委(國家計委、經(jīng)委和科委) 的獎勵，之后又陸續(xù)取得新的成果(圖1)。

圖1 爆炸成形示意圖

作為科學研究的經(jīng)驗，有幾件值得記取的事，簡要敘述如下。

1 堅持科學研究

20 世紀50 年代末，中國科學院力學研究所當時的第四研究室通過調研和廣泛的討論，提出將“高速、高壓塑性動力學及其應用” 作為自己的研究方向，并迅速得到力學所和科學院領導的同意。作為這個方向下的一個具體項目，在“大躍進”思潮的影響下，爆炸成形研究一開始便下工廠實踐，以為可以輕易取得成果。當時我們到的第一個工廠是位于北京大北窯的北京汽車廠，第一個要成形的零件是全尺寸的小轎車行李箱蓋。結果可想而知：先是因未抽真空，根本無法成形，后來不是工件破裂便是形狀實在達不到要求，因而徹底失敗了。不過也有收獲，摸索到了爆炸成形工藝和模具設計的一些最基本的知識。接著，又選擇過別的零件，如汽車的燈罩，這是個一般需要多次深拉延成形的部件，自然也沒有做成。最后，工廠的耐心和積極性都沒有了，我們被禮貌地請出工廠。好在我們畢竟是從研究部門出來的，利用工廠的條件，進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，并且以經(jīng)驗公式方式整理了試驗數(shù)據(jù)。

北京汽車廠之后，我們又去過包括長春汽車廠和杭州鍋爐廠在內的其他一些工廠，炸出過幾個大體合格的零件。在此期間，我們一直堅持典型零件成形的系統(tǒng)試驗，積累了寶貴的實驗數(shù)據(jù)，這為以后模型律的研究提供了十分重要的基礎。此外，我們還利用彈性波反射的原理，用很簡陋的方法，粗略地測定了水中沖擊波的強度與波長，使我們對爆炸成形條件下沖擊波的特性有了定量的認識。這些知識對于我們學習水下爆炸的理論、分析和理解爆炸成形的機理有很大的好處。為了了解零件成形的動態(tài)過程，我們還專門抽調人力，研制微秒計時儀，以定量測定零件運動的時間歷程。正是這項技術的成功實現(xiàn)，使我們發(fā)現(xiàn)了所謂“二次加載”的現(xiàn)象，即板料運動過程中的第二次加速現(xiàn)象。后來的發(fā)展表明，這是理解爆炸成形機理的關鍵一步。

這些事實告訴我們，在研究條件不太好的“大躍進”中，堅持最基本的科學實驗是何等重要，哪怕這些實驗的全部意義在當時可能還不很明確。

2 唯有研究得深才能得到真正有科學價值和實用價值的結果

“大躍進” 之后緊接著是三年“調整、鞏固、充實、提高”的時期，也是力學所爆炸成形研究快速取得最重要成果的時期。從外部環(huán)境來說，其原因主要是，群眾運動的壓力和外界的干擾減小了，人們有機會進行反思，重新回到比較實事求是、按科學規(guī)律辦事的軌道上來。

對我來說，那時最有影響的有兩件事。一是中央發(fā)表的關于科學研究的“十四條”，二是20 世紀60年代初在人民大會堂召開的一次首都科技界大會，前者強調要按科學規(guī)律辦事，其中聶榮臻同志在報告中提到的要全面部署配套的科研工作，給我的印象尤深；后者表達了中央對我國的科技界的殷切期望，加強了科技工作者的責任感。

恰好在那個時候，我們接到研究爆炸成形的委托任務，這對提高大家的積極性有很大的作用，因為它意味著在一段時間內，科研條件會有所改善，可以有個比較穩(wěn)定的工作地點而不必到處找工廠打游擊，說服他們接受我們去做實驗了。與此同時，錢學森所長指定要在1963 年由力學學會和機械工程學會聯(lián)合舉行有關爆炸成形的學術會議，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整到第二研究室的機會，將一個研究組分作成形組、載荷組和材料組，并且充實了研究力量，在深化研究工作的同時開展有關知識的系統(tǒng)學習。另一方面，與工廠密切合作，進行為建立模型律而設計的專門實驗。

對我來說，當時集中考慮的問題主要有兩個。第一個問題是二次加載的機理問題(圖2)。從事后看，這個問題并不十分復雜，但在當時著實費了不少腦筋，帶來許多不眠之夜。通過計算很快發(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)生的稀疏波所導致的空化(即汽化) 作用，水中沖擊波可以將更多的機械能傳遞給板料，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做功。問題是后者是如何具體實現(xiàn)的。這個聯(lián)系，即空化區(qū)的閉合(即消失)，是在研究組的一次研討會上，當我做關于空化問題的報告時，突然在腦海里出現(xiàn)的。一經(jīng)出現(xiàn)，以二次加載為關鍵環(huán)節(jié)的爆炸成形機制便變得十分清晰和簡單，致使把它用于具體計算球殼在爆炸作用下的變形過程成為順理成章的事了。

圖2 球對稱爆炸時板料、水球、爆炸氣球的時間-路程曲線示意圖。

另一個集中考慮的問題是爆炸成形模型律問題，這也是錢學森所長要求我們首先解決的問題。我們建立的爆炸成形模型律有三個層次。首先，無論是水還是爆震產(chǎn)物都可以當作無黏性的可壓縮流體。金屬的強度雖然同應變率有關，但也只有當應變率有數(shù)量級變化時，它的影響才需要考慮。因此，從理論上講，幾何相似律應當是近似成立的。這個判斷為我們的實驗結果所證實。其次，在我們重新整理實驗數(shù)據(jù)時，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，國外的有些計算公式也表明了這一點。我們知道，在厚度足夠小時，薄膜應力遠大于彎曲壓力，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際上表示藥量與總的變形能成正比，它所表達的是一種能量關系。于是我們稱這個關系為能量準則，它是幾何相似律的特例。最后，我們根據(jù)前述成形機理，對球殼的爆炸脹形過程進行了具體的計算，表明能量準則的確是一個不錯的近似，從而為能量準則提供了理論解釋。

我們在1962 年取得了這些重要進展，于1963 年從容地完成了委托單位和錢學森所長交給我們的任務。應當說，這項工作無論在深度、廣度上還是在系統(tǒng)性上，都明顯地要比國外強，并且通過這項研究，使我們對水下爆炸對結構物的作用有了更深刻的理解。我們發(fā)展的各項實驗技術和測量儀器也被證明是很有用的。

3 完成“實踐－理論－實踐” 的一次循環(huán)

以上成果被迅速推廣，但是新的實踐又提出了新的問題，其中最突出的是爆炸成形的模具強度和材料的力學性質問題。這里介紹一下與模具強度有關的問題。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，對于大型零件，模具設計成為很突出的問題。我們在實踐中很快就遇到了它。盲目地按比例放大模具以保證其強度顯然是不可行的，因為模具的重量太大了。根據(jù)我們的理論，板料撞擊模具的時刻，它后面緊跟著水，好似剛體運動一樣沖向模具。如果我們把模具設計成在外界沖擊下可以分塊散開來的話，那么如同一個彈子撞擊另一個原先靜止的彈子一樣，只要設計得當，后者會被擊走，前者會停下來。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。我們把這個完全理論上的判斷，立刻應用到一個大型的封頭狀零件上去，效果極佳。伴隨著爆炸的巨響，當煙霧消去之后，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地站立在那里。

這項被我們稱為“慣性模” 的技術很快得到推廣，人們不僅把它應用于大型零件，而且應用于通過一次爆炸，同時實現(xiàn)成形、開孔、卷邊等多種工藝。

前面講的事已經(jīng)過去了近四十年，事情也不大，但每當回憶起來的時候，都不免為當時那種緊張而團結熱烈的氣氛所感染。我和許多其他參加工作的同志一樣，都在那次難忘的經(jīng)歷中增長了做科研和組織科研工作的知識和經(jīng)驗?，F(xiàn)在把它寫出來，如果被認為還有一些價值的話，大家都會很高興。