1978年3月，象征著“科學(xué)的春天”的全國第一次科學(xué)大會在人民大會堂召開。隨后，全國科研成果展覽會在北京舉行。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場上用于測試沖擊波動壓的測量系統(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，透過時光的塵埃，向我們訴說著“兩彈一星”輝煌背后，那些隱沒于時代洪流中的身影。他們以沉默的堅守、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。其實，除此之外，效應(yīng)現(xiàn)象測定也是必不可少的一環(huán)。因為核武器的威力在于它在實戰(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)大隊和裝甲兵研究所的科研人員找到了時任清華大學(xué)流體力學(xué)實驗室主任的席葆樹，討論關(guān)于核試驗現(xiàn)場沖擊波動壓測量的技術(shù)問題。沖擊波是核武器爆炸后的主要殺傷破壞因素，破壞力極強，沖擊波動壓更是武器裝備遭受破壞的直接因素。地爆近區(qū)的坦克在沖擊波動壓的作用下，炮塔有時可被掀掉，車輛可能會產(chǎn)生較大的滑移、翻滾或被拋擲，有時能被拋出數(shù)十米，甚至超過數(shù)百米。
在此之前，核試驗場上各軍兵種所使用的動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)實驗室建設(shè)，專注于流體力學(xué)的測試技術(shù)。于是他受命帶領(lǐng)實驗室科研團(tuán)隊加入動壓聯(lián)合研制組。炮兵教導(dǎo)大隊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《沖擊波動壓測量系統(tǒng)研制技術(shù)報告》，研制出一種新型的LDY6型微壓差傳感器動壓測量系統(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壓測試的需要。席葆樹捐贈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)實驗室實驗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)分析氣動特性，并進(jìn)行風(fēng)洞與擊波管試驗，最后確定了套筒式結(jié)構(gòu)方案。探頭上裝有一個圓形薄外套，兩者之間形成數(shù)個良好的沖擊波氣流中間通道，以提高探頭的氣動特性。
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個直徑0.6毫米、深20毫米的靜壓氣道孔和一個直徑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)計思路可行，只是探頭的強度還不夠。在設(shè)計探頭時，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間，使傳感器的溫度還未升高時，就已經(jīng)將采集下來的動壓數(shù)據(jù)傳到記錄儀器中。憑借著自己積累的機械加工工藝知識與經(jīng)驗，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度問題。于是他找來高速鋼材料自己動手加工出一個探頭。最終試驗表明，用該材料制作的探頭經(jīng)受住了后來多次核試驗強烈輻射作用的考驗。
值得一提的是，在測試探頭的設(shè)計方案時，需要進(jìn)行風(fēng)洞、擊波管、化爆等靜、動態(tài)模擬試驗，動壓聯(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，圖紙隨到隨加工，確保按時保質(zhì)制作不耽誤試驗。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)行擊波管試驗時，副所長王如芝親自到試驗室提供指導(dǎo)。
這套測量系統(tǒng)使得中國第一次成功地獲取了核試驗現(xiàn)場沖擊波動壓曲線。從席葆樹1986年參加全國高等學(xué)校實驗室先進(jìn)集體先進(jìn)工作者會議交流時的發(fā)言稿看，LDY6型微壓差傳感器動壓測量系統(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，為各兵種在試驗場上取得了十分重要的動壓實測數(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，為共和國的崛起點燃了一簇星火。
（作者：柳紫陌 作者系清華大學(xué)科學(xué)史系助理研究員）
