小探頭見證中國原子能大事業(yè)
1978年3月，象征著“科學(xué)的春天”的全國第一次科學(xué)大會(huì)在人民大會(huì)堂召開。隨后，全國科研成果展覽會(huì)在北京舉行。其中，國防軍工方面的科研成果展廳設(shè)在軍事博物館，一枚19世紀(jì)70年代在大西北核試驗(yàn)場上用于測試沖擊波動(dòng)壓的測量系統(tǒng)探頭及相關(guān)科研人員的工作合影被陳列在展覽入口處。2023年8月，儀器的主要研制者——清華大學(xué)工程力學(xué)系教授席葆樹將其捐贈(zèng)給清華大學(xué)科學(xué)博物館。目前，這件儀器正在清華大學(xué)科學(xué)博物館“百年器象——清華大學(xué)科學(xué)儀器歷史展”中展出。
展柜中的儀器如同一扇無聲的窗口，透過時(shí)光的塵埃，向我們訴說著“兩彈一星”輝煌背后，那些隱沒于時(shí)代洪流中的身影。他們以沉默的堅(jiān)守、無畏的探索，鑄就了共和國的脊梁，彰顯了“兩彈一星”精神。
測試核爆炸沖擊波動(dòng)壓
言及“兩彈一星”事業(yè)，人們往往將其理解為核武器本身的設(shè)計(jì)。其實(shí)，除此之外，效應(yīng)現(xiàn)象測定也是必不可少的一環(huán)。因?yàn)楹宋淦鞯耐υ谟谒趯?shí)戰(zhàn)中產(chǎn)生的諸多效應(yīng)，即包括力學(xué)、光學(xué)、電磁輻射等多方面的破壞作用。使用相應(yīng)的儀器測量不同破壞作用的參數(shù)，一方面可為設(shè)計(jì)及改進(jìn)核武器的性能提供可靠數(shù)據(jù)，另一方面可為研究有效核防護(hù)帶來數(shù)據(jù)支撐。
1972年底，炮兵教導(dǎo)大隊(duì)和裝甲兵研究所的科研人員找到了時(shí)任清華大學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任的席葆樹，討論關(guān)于核試驗(yàn)現(xiàn)場沖擊波動(dòng)壓測量的技術(shù)問題。沖擊波是核武器爆炸后的主要?dú)茐囊蛩兀茐牧O強(qiáng)，沖擊波動(dòng)壓更是武器裝備遭受破壞的直接因素。地爆近區(qū)的坦克在沖擊波動(dòng)壓的作用下，炮塔有時(shí)可被掀掉，車輛可能會(huì)產(chǎn)生較大的滑移、翻滾或被拋擲，有時(shí)能被拋出數(shù)十米，甚至超過數(shù)百米。
在此之前，核試驗(yàn)場上各軍兵種所使用的動(dòng)壓測量儀器存在測量誤差較大、頻響不夠、抗干擾能力不足等問題。席葆樹注意到這是他們用測量一般靜壓的思路去測量快速變化的動(dòng)壓導(dǎo)致的，而他本人1963年從蘇聯(lián)留學(xué)回國后一直從事力學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，專注于流體力學(xué)的測試技術(shù)。于是他受命帶領(lǐng)實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)加入動(dòng)壓聯(lián)合研制組。炮兵教導(dǎo)大隊(duì)科研人員楊柏林任組長，裝甲兵研究所科研人員李景恩任副組長。經(jīng)過三年多的努力，研制組于1976年完成《沖擊波動(dòng)壓測量系統(tǒng)研制技術(shù)報(bào)告》，研制出一種新型的LDY6型微壓差傳感器動(dòng)壓測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)當(dāng)年在一定距離上基本滿足了炮兵、裝甲兵對核爆炸沖擊波動(dòng)壓測試的需要。席葆樹捐贈(zèng)的正是這套測量系統(tǒng)的探頭部分。
探頭最核心的元件是壓力傳感器，它可將直接感受到的核沖擊波壓力參數(shù)轉(zhuǎn)化為電量參數(shù)。傳感器的響應(yīng)頻率及小型化程度是探頭質(zhì)量的關(guān)鍵。為了將響應(yīng)頻率從原來的毫秒級提高到微秒級，并將膜片直徑縮小為原來的五分之一，席葆樹、清華大學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)員祖佩貞及裝甲兵研究所研究員張發(fā)興等人，查閱大量文獻(xiàn)資料，制作出了滿足要求的電感式差壓傳感器。為了保證傳感器的敏感度與穩(wěn)定度，祖佩貞又進(jìn)行了大量試驗(yàn)工作。她也將自己當(dāng)年參與制作調(diào)試的一枚傳感器捐贈(zèng)給清華大學(xué)科學(xué)博物館，與探頭一并展出。
確定套筒式結(jié)構(gòu)方案
除了靈敏的壓力傳感器，探頭良好的氣動(dòng)性能也至關(guān)重要。席葆樹同研制組的成員一起試制了套筒式、探針式、鐵餅式等三種形式十多種探頭結(jié)構(gòu)樣品，反復(fù)分析氣動(dòng)特性，并進(jìn)行風(fēng)洞與擊波管試驗(yàn)，最后確定了套筒式結(jié)構(gòu)方案。探頭上裝有一個(gè)圓形薄外套，兩者之間形成數(shù)個(gè)良好的沖擊波氣流中間通道，以提高探頭的氣動(dòng)特性。
這枚探頭總長45.5厘米，直徑最窄處2.3厘米，最寬處3.8厘米，側(cè)面有4個(gè)直徑0.6毫米、深20毫米的靜壓氣道孔和一個(gè)直徑6毫米、深150毫米的出線孔，整體采用高速鋼材料制作。
最初試制的探頭用的不是高速鋼而是耐熱不銹鋼。在1973年進(jìn)行的一次氫彈空爆試驗(yàn)中，6枚探頭受到不同程度的破壞。席葆樹仔細(xì)檢查從核試驗(yàn)場上帶回來的被打壞的探頭，發(fā)現(xiàn)里面的傳感器沒有受損。這說明原先的設(shè)計(jì)思路可行，只是探頭的強(qiáng)度還不夠。在設(shè)計(jì)探頭時(shí)，席葆樹等人采用加外套、石棉墊等措施，延遲了探頭表面高溫向其內(nèi)部壓力傳感器傳遞的時(shí)間，使傳感器的溫度還未升高時(shí)，就已經(jīng)將采集下來的動(dòng)壓數(shù)據(jù)傳到記錄儀器中。憑借著自己積累的機(jī)械加工工藝知識與經(jīng)驗(yàn)，席葆樹想到了可作刀具的高速鋼材料或許可以解決探頭強(qiáng)度問題。于是他找來高速鋼材料自己動(dòng)手加工出一個(gè)探頭。最終試驗(yàn)表明，用該材料制作的探頭經(jīng)受住了后來多次核試驗(yàn)強(qiáng)烈輻射作用的考驗(yàn)。
值得一提的是，在測試探頭的設(shè)計(jì)方案時(shí)，需要進(jìn)行風(fēng)洞、擊波管、化爆等靜、動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)，動(dòng)壓聯(lián)合研制組得到了各相關(guān)協(xié)作單位的積極配合和大力支持。在那個(gè)篳路藍(lán)縷的年代，毛主席“要大力協(xié)同做好這件工作”的指示，極大地激發(fā)了全國各條戰(zhàn)線廣大干部職工發(fā)展核武器事業(yè)的凝聚力和戰(zhàn)斗力。探頭在原炮兵602廠制作時(shí)，圖紙隨到隨加工，確保按時(shí)保質(zhì)制作不耽誤試驗(yàn)。在原洛陽工程兵三所（今軍事科學(xué)院國防工程研究院工程防護(hù)研究所）進(jìn)行擊波管試驗(yàn)時(shí)，副所長王如芝親自到試驗(yàn)室提供指導(dǎo)。
這套測量系統(tǒng)使得中國第一次成功地獲取了核試驗(yàn)現(xiàn)場沖擊波動(dòng)壓曲線。從席葆樹1986年參加全國高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)集體先進(jìn)工作者會(huì)議交流時(shí)的發(fā)言稿看，LDY6型微壓差傳感器動(dòng)壓測量系統(tǒng)從20世紀(jì)70年代研制成功一直到我國宣布停止核試驗(yàn)，為各兵種在試驗(yàn)場上取得了十分重要的動(dòng)壓實(shí)測數(shù)據(jù)資料。
在科技日新月異的今天，這一探頭乃至整套系統(tǒng)或許顯得簡陋而笨拙，技術(shù)上難免存在種種局限，最終也會(huì)被更先進(jìn)的儀器所取代，但它卻是“兩彈一星”事業(yè)中不可或缺的一塊基石，為后續(xù)儀器的突破鋪就了道路。它像一位沉默的見證者，讓我們得以窺見那些在荒原戈壁中埋頭苦干的科研工作者。他們用智慧和汗水，在簡陋的條件下，為共和國的崛起點(diǎn)燃了一簇星火。
（作者系清華大學(xué)科學(xué)史系助理研究員）
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