一座千吨巨洞，“炸”出半个世纪的学科基业
力学所档案室里“爆炸洞”建设时期的老照片。
■本报见习记者 赵婉婷 记者 倪思洁
两张黑白照片，上面是一座半球形建筑和一群人站在建筑的“大圆脑袋”上焊钢筋……6月9日，国际档案日之际，中国科学院力学研究所（以下简称力学所）档案室里的这两张老照片，把很多人的记忆拉回到50年前。
50年前的1976年，一座内径9米、内高7米、总重约1500吨的半球顶钢筋混凝土结构物，在紧挨着北京北四环的力学所大院内竣工。它的名字叫“爆炸洞”。之后，每当爆炸洞做实验时，从北四环路过的人总能听到“砰砰”的闷响。爆炸洞投入使用后，陆续“炸”出了与国家战略需求接轨的多项重要成果，“爆”出了一系列国家级科技奖项。
如今，爆炸洞已经停用，坑坑洼洼的内壁透着陈年铁锈般的棕褐色。每年一到中国科学院公众科学日，这座圆顶建筑里就挤满了好奇的大人和孩子。借国际档案日之机，《中国科学报》专访了爆炸洞建设与研究亲历者，跟随他们的回忆，回到鲜为人知的爆炸洞诞生的起点。
没有标准，缺乏参考
1958年，力学所第二研究室（以下简称二室）在土力学专家钱寿易领导下开始探索定向爆破。1959年起，钱学森的学生，时任力学所副所长、后来成为中国科学院院士、中国工程院院士的郑哲敏开始探索爆炸加工。1963年，钱学森将这个新的分支学科命名为“爆炸力学”，郑哲敏成为这门学科在力学所的带头人。
当时，力学所承担着国家相关任务，装备研制离不开爆炸机理的研究与测试。然而，大量爆炸实验只能在远郊的爆炸试验场或兄弟单位的爆炸洞中进行。
“在野外做实验受到很多限制，瞬间爆炸过程和各种现象的数据无法被记录，而去外地的爆炸洞做实验又十分耗时。”现已87岁的力学所退休副研究员李国豪回忆道。
其实，早在1960年前后，时任力学所副所长郭永怀就提出建设力学所自己的爆炸洞，但当时受限于条件未能实现。在力学所内建一个密闭可控的爆炸洞，一直是科研人员的期待，因为这不仅便于“放炮”，还便于捕获精密数据。
面对紧迫的国家任务，1972年，郑哲敏和时任二室主任杨振声等人对国内现有的爆炸洞做了详尽调研，向北京市公安局提出申请，并向中国科学院提交筹建爆炸洞的请示报告。
在获得北京市公安局许可、中国科学院批准立项后，力学所考虑请专业的建筑设计团队设计爆炸洞，但爆炸洞抗爆、抗压的结构特殊又复杂，团队要花费相当长的时间从头学起。最终，力学所决定，由二室的科研人员承担爆炸洞的设计工作。
当时，国内虽有苏联援建的爆炸洞，但没有完备的爆炸洞设计标准。
工程设计的难点之一是如何让密闭结构经得住爆炸载荷，而当时密闭结构的动载强度几乎没有公开资料可参考。工程设计的难点之二是如何认识洞身的自振频率，避免设施与爆炸载荷形成共振。
经过慎重思考，郑哲敏从爆炸震动的原理出发，指出重点攻关方向：确定爆炸载荷（动载荷）作用下的结构强度，并解决洞身的自振频率问题。
爆炸载荷的确定与分析由李国豪等人负责。他们在郑哲敏的指导下，对爆炸洞的自振频率做近似计算。经过周密分析后，研究小组在全钢模型里校验了计算结果。
此外，爆炸洞和各配套实验室的电缆、照明、主控系统、通风系统、防爆门的设计也由设计小组的不同成员承担，大家相互配合。
1973年7月，第一张爆炸洞的平面与立面图出炉。
许多意想不到的状况
1973年9月，爆炸洞破土动工。在施工现场，他们又遇到许多意想不到的状况。
李国豪回忆，最初开挖基坑时，工程遇到了流沙。面对突涌的地下水，大家在加紧抽水后紧急修改图纸，经钱寿易指导，他们最终填充了200立方米的毛石，筑牢地基。
在准备给柱体木模浇灌混凝土时，大家发现木模内残留着建模时的木屑和刨花。负责建筑设计的王盛玉说：“木屑日后在里边腐烂，一定会影响结构的强度。”想清除杂物，就得拆模重搭。考虑到施工进度，有人反对拆模。对施工把关严格的郑哲敏拍板，一定要保证洞体质量，必须拆模重搭。
后来，爆炸洞通过了严格的安全审查，如预想般坚固、抗压。李国豪骄傲地说，爆炸洞在使用期间从未发生过安全事故。
在二室协助建洞期间，李国豪最忘不了的场景是浇灌混凝土柱体时，二室的六七十人都自发地来到现场，与工程兵一起日夜奋战，场面壮观、动人。就连爆炸洞配套实验室地面的水磨石，也是后来二室的成员参与铺制、打磨的。大家干累了就席地而睡。“我就在地上躺过。”李国豪激动地说，“钱学森先生、郑哲敏先生的工作精神感染着我们，当时就是想为国家的爆炸力学做点什么。”
1976年，爆炸洞正式落成并投入使用。二室的每个成员脸上都洋溢着笑容。“爆炸洞这个工程，是我们自力更生、同心协力取得的成果。”回忆往事，李国豪感慨道。
在“挠痒痒”中“炸”出硕果
推开双层防爆门、走进爆炸洞，人们仍能触摸到球形墙壁上斑驳的爆炸痕迹。那是爆炸力学兴起并蓬勃发展的缩影。
爆炸洞一次可承受几千克炸药起爆，而噪声经过隔音后会变为低频，几乎没有震感。“公斤级炸药爆炸对1500吨的爆炸洞就是‘挠痒痒’。”1981年调入力学所、曾担任二室主任的丁雁生笑着形容。
他介绍，斑驳的洞壁和底板内设有孔口与管道，与各类配套实验设施相连，以满足复杂的研究需求。其中一个十分显眼的设备叫轻气炮，如今就陈列在爆炸洞展厅中。
“上世纪部队演习时，大口径炮偶发膛炸，会带来不必要的伤亡。90年代，在兵器部门牵头下，力学所作为攻关单位之一，提出从相似律入手，利用自研的轻气炮发射弹丸撞击炸药柱，在爆炸洞中实现了对真实发射时膛炸条件的模拟。”丁雁生轻抚着橄榄绿色的炮身说，力学所与炸药研究所和北京理工大学等单位合作，为炮弹生产和部队训练提供了安全保障。
爆炸洞里诞生的类似成果还有很多。在“挠痒痒”中，爆炸洞承载了一系列国家重大科技项目，也“炸”出了关于炸药性能、穿甲破甲模拟、土腔爆破、爆炸金属加工、水下爆炸模拟等实验成果。
丁雁生介绍，爆炸洞承载的首个重大项目是穿破甲的机理研究。研究人员基于流体弹塑性模型计算，研究了穿破甲几何相似律和靶板强度的影响，一步步厘清穿破甲的机理。该机理连同流体弹塑性模型应用于地下核爆炸的成果，摘得1978年全国科学大会奖和1982年国家自然科学奖二等奖。丁雁生表示，与国外学者同期、独立提出的流体弹塑性模型，是郑哲敏与合作者解伯民等对爆炸力学的里程碑式贡献，其中融入了诸多合作单位的无私奉献。
除了用于国防装备研制，爆炸洞在服务民生方面也发挥了作用。
过去，将两种金属粘在一起主要通过碾压的方法，但结合强度较差。力学所研究人员通过实验发现，爆炸过程中产生的射流能将氧化杂质带走，金属板就牢牢粘在一起了。该研究成果获得1989年中国科学院自然科学奖一等奖、1992年国家科学技术进步奖二等奖。据悉，依托这项爆炸复合技术，国内相关钢材产业后续年产值可达40亿元。
此外，爆炸洞中开展的爆炸处理水下软基研究，为海港建设提供了技术支持，获得1990年国家科学技术进步奖二等奖、1992年国家专利金奖。
旧洞存史，薪火新生
50年后的今天，爆炸洞已不再承担实验任务。但它成为承载学科记忆、传承科研精神的场地。
每逢中国科学院公众开放日，力学所爆炸动力学青年研究员吴先前就会跟随人群，带着孩子去展厅参观。
2007年，他到力学所攻读博士学位时，这座位于北京四环边的爆炸洞已不再投入使用。第一次走进爆炸洞时，他心中燃起一种“朝圣”的感觉。
参观时，吴先前会跟孩子讲轻气炮如何用于爆炸实验，脉冲X光仪器如何精准测量炸药内部起爆状态。“老先生们当时使用的瞬态X光测量精度等指标，在现在看来也是非常先进的，可见前辈们是非常有远见的！”吴先前感慨。
如今，力学所从事爆炸与冲击动力学相关研究的师生有90余人，吴先前是其中之一。他的团队主要工作是用脉冲强激光手段模拟爆炸效应，以揭示材料的动态力学行为，实现微纳尺度的冲击加载与原位表征。“比如，我们会采用强激光精准驱动微颗粒高速撞击丝纤维，从而揭示纤维材料的防护性能与耗能机制，并提出高性能设计方案，为防弹装备的研制提供重要参考。”
在吴先前看来，尽管爆炸力学有了更多应用方向和先进技术，但学科的底色始终没有改变。“面向国家重大需求，立足基础学科发展。无论做哪方面的前沿研究，爆炸力学始终是解决问题的学科，这是我们选择这条路的初心。”
同样不变的还有这一研究领域对实验能力和理论功底的要求。“当时要建爆炸洞时，炸药爆炸对钢筋混凝土结构的损伤和破坏并没有成熟的理论体系和计算方法。但老先生们数学功底特别扎实、物理概念特别清晰，他们基于模拟实验和理论分析，还是把问题解决了。”吴先前在指导学生时，会给他们讲这个学科的起点和初心，也会对他们的动手能力和理论分析能力提出高要求。
走出爆炸洞时，天色将晚。洞外的车流声重新涌入耳畔，北四环依旧喧闹如常。50年了，路过的行人早已听不见那些“砰砰”的闷响，但这个沉默的半球依然立在那里。它收纳了一个时代的巨响，也等待着新生代们走进去，叩响新的回声。