大国工程背后的清华力量∣揭秘核防护工程中的清华印记


记者 吕婷

时光回到1966年5月9日那个风沙肆虐的戈壁滩,我国第三次核试验在这里成功举行。现场一大片身着军装的参试人员中,两个身着便服的身影格外引人注意,他们便是清华大学“0304”科研项目组的年轻成员——沈恒滋与阚永魁,受邀参加核防护结构试验。

时隔多年之后,参加核试验的秘密终于可以为人所述,而鲜为人知的0304项目也随之揭开神秘的面纱。

如果说核武器的研制是为国建造锐利的“矛”,那么核防护工程的研究则是为国铸就坚固的“盾”,以防御战时核武器的杀伤破坏。

0304项目正是清华大学土木工程系在上世纪60年代承担的重大国防科研任务,属国家机密项目。近40位教师、工程师、实验员,在近20个春秋里为铸就国防坚盾付出了大量心血,而这一切的奉献和成绩都必须守口如瓶,隐姓埋名……

而今,这一尘封多年的秘密终于揭开。遗憾的是,其中部分成员的名字也永远地成为了历史。我们有幸采访到几位健在的清华老教师,听他们讲述为国铸盾的故事。


一切从零起步

 

上个世纪60年代,面临严峻的核威胁环境,加强核防护工程的科学研究愈发迫切和重要。国家层面的防护工程研究由国家科委统一组织,迅速成立防护工程组。时任国防科委副主任张爱萍担任防护工程组总指挥,工程兵司令员陈士榘任防护工程领导组组长,时任清华大学副校长张维是防护工程组领导组成员之一。从现有的资料中,可以看到0304项目组核心成员杨式德、陈聃、邝守仁等都曾参加过防护工程组的讨论会。

防护工程组成立后,国家科委委托清华大学与工程兵合作进行核防护研究,该研究涉及到室内试验、野外试验和现场试验。

1963年,结合备战形势和国家战略需要,在学校的统一领导下,代号为“0304”的研究组正式成立。这个被蒋南翔校长誉为“清华大学科研第九高地”的研究组,以土木工程系工程结构实验室为主,集中土木、水利、力学等院系的科研力量,与部队合作进行核防护工程的研究。

国家科委防护工程组的批件由张维副校长转交0304项目组

与清华大学0304研究组有关的负责单位是工程兵司令部及其下属的三所和四所。军队非常重视这一研究项目,当时新成立的中国人民解放军总参谋部防护工程研究所(工程兵三所)也派来了一批青年科研人员来校参加研究。

工程结构实验室成立50周年纪念座谈会合影,照片中有12位参与0304项目的教师(摄于2006年12月)

“当时土木系从工程结构实验室、结构教研组、结构力学教研组等教研组抽调一批青年教师和业务骨干参与研究,集中了系内1/5左右的教师力量,最高潮时有30人左右参加,加上试验技术人员有近40人,其中大多数都是党员。”土木系原副系主任、退休教授朱金铨回忆道。

0304项目由土木系原副系主任杨式德担任总负责人,土木系原党总支书记邝守仁担任党支部书记。参加项目的青年教师除了三位留学归国入职清华的教师,其他都是清华毕业后留校工作的教师,与0304结缘成为他们人生中的重要转折点。0304项目组走出了许多我国知名的土木结构工程和防护工程专家,如陈肇元院士,陈聃、沈聚敏、沈恒滋、李少甫等等。

核爆炸的威力效应,主要包括光辐射、冲击波和核辐射,0304项目主攻的是应对冲击波的防护结构研究。面临的第一个难题就是,用什么样的设备进行试验,可以产生一个与核爆炸冲击波相近的压力波形?也就是需要研制一个抗核爆炸模拟器。另外,结构材料在快速加载环境下的强度会发生变化,还需要一个快速加载器,以便研究结构材料在快速变形下的力学性能。一系列难题都令人抓耳挠腮。无论是加载设备还是量测设备,都没有任何先例可以借鉴,必须自行研究设计。

阚永魁在项目中承担量测和保密工作,回忆起试验的起步阶段他感慨万分:“进行冲击波荷载下的结构模型试验,现状是‘一穷二白’,最重要的两个条件,一是加载设备,二是量测手段都得从零起步。”

当时具有无线电和结构工程双重背景的土木系青年教师来晋炎也被抽调到0304项目组,专门负责量测手段和压力控制系统的研制。“最大的困难就是没有资料可以参考,全凭自己摸索,从设计图纸到建造模型再到一步一步焊接,都靠自己动手。”来晋炎回忆道。

“当时陈肇元老师去搜集和翻阅了极少有人问津的英文文献,获得了些许灵感,决定通过研制抗核爆炸模拟器模拟压力波形来进行结构模型试验。接下来就必须自力更生,设计试验所需的加载设备和量测装置。”阚永魁说。0304项目的三个职能试验组迅速建立起来,包括结构模型试验组、材料快速加载试验组和动态光弹试验组。


从“一支笔”到“大象”:第一台抗核爆炸模拟器诞生

 

一张张手绘的图纸,一个个快速开启阀,一件件橡胶密封圈的模具,所有的仪器和配件都从零开始打磨。为了配合0304项目的开展,土木系把金工车间也合并到结构实验室,便于模型直接投入加工。

经过深入思考后,成员们构思出抗核爆炸模拟器(模爆器)的研制方向——在一个密闭容器外部,通过雷管引爆容器内的高级炸药,使其产生瞬间达到峰值的气压再按双曲线衰减归零的冲击波。

说干就干,在设备简陋的金工车间里,经过昼夜不眠的苦战,1号装置终于诞生了。1号装置其实是一个爆炸发生器,由一个厚壁管段构成,两端可用法兰盘封闭,两侧焊上支腿,大家依据它的外形取名叫“一支笔”。

“一支笔”虽然诞生了,但能不能用它获得预期的压力波形却要打个大大的问号。当时市场上只有压电晶体式压力传感器,没有动态气压量测传感器。来晋炎牵头研制了动态气压传感器。为安装这一传感器,项目组又加工了一台二号设备,并在设备侧面开了两排孔,安装上快速开启阀,使其压力衰减波形能够接近核爆炸冲击波的波形。由于设备外壁凹凸不平,大家给它取名叫“毛毛虫”。

“毛毛虫”在大家的期待中进行了第一次试验,但是结果却不尽如人意。一阵沮丧过后,大家又开始集中分析具体的症结所在。原来在爆炸过程中,产生的高温导致量测到的压力波形发生偏差。“我们为了找到合适的隔热材料跑遍了全北京城,最后在一家皮货加工店里找到了一张非常柔软的薄羊皮,我们把它贴在压力探头上作隔热材料。试验发现测出来的压力曲线完全符合预期,当时真的特别兴奋!”阚永魁说。模型调试取得了初步成功,这台装置也有了正式的名字——“模爆器”,即抗核爆炸模拟器。

接下来就要进行结构模型试验了,完成这一使命的是4号装置——在“毛毛虫”设备下开了一条长孔,将一个放置结构模型及其周围介质的箱体放在设备的底孔处,以模拟地下掩体承受地上核爆炸传入地下的压缩波荷载。“4号设备仍是小尺寸的模型,试验模型与真实结构相差较远,做出的结果也不能反映实际情况,所以我们必须要制造一个大型模爆器。”阚永魁说。

6号模爆器设计图纸

研究人员根据6号模爆器的形状将其取名为“大象”

“摸着石头过河”的岁月里,艰辛与惊喜并存。模爆器从1号到5号逐步改进,终于获得了设备的相应参数号。1964年项目组将设计的模爆器图纸交由沈阳重机厂加工,最终制造出“6号模爆器”。6号模爆器体积很大,有四条“粗腿”,大家为它取名叫“大象”。

“大象”在临拆走之前(摄于2009年4月)

“6号模爆器主要研究岩石介质条件下的地下防护工程,之后我们还研制了7号模爆器,主要研究松散介质条件下的地下防护工程,为北京地铁防护工程的设计奠定基础。例如北京地铁1号线就是完全按照防核袭击的要求设计的,每个出入口都设有防护门和密闭门。”重点参与7号模爆器试验的朱金铨说。


6号实验室:铸坚盾,育栋梁

 

6号模爆器诞生后,大家计划为它“安个家”,于是在工程结构实验室西面的土建基地空地上(现在的文科图书馆和新建土木大楼之间),盖起一个带有地下室的一层小屋,专门安装6号模爆器设备并进行结构模型试验,这间用围墙圈起的小屋就叫作“6号实验室”。

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6号实验室外景(摄于2009年3月)

试验、测量、分析、再设计结构、再投入试验……0304项目组成员日复一日地在6号实验室里进行着核防护工程的相关研究。6号院中的杏花开了又谢,爬山虎绿了又红,成员们拼命追赶着时间的脚步,时不我待,只争朝夕。由于0304项目的保密性质,直到2009年6号实验室被拆除时,人们也不知道这里曾受到军队高层和学校的高度重视,也不知道这里曾进行过什么样研究,又有着怎样辉煌的历史——

这里,是新中国核爆防护工程研究的发源地,自主研发了我国独一无二的系列抗核爆炸模拟器(1号-7号)和系列快速加载器(材1-材5);

这里,是清华大学一系列防护工程研究成果试验基地,曾获10多项部委级科技进步一、二、三等奖;

这里,是国家多本人防规范的编写和试验基地,北京地铁(现1号线地铁)防护结构和上海人民广场地下人防工程的研究设计基地;

这里,是空军、海军、国防科工委、二炮、工程兵学院、军事医学院等众多国防科研单位进行大型机库、大型高抗力防护门、地下防护结构、生物医学等科研项目的必选试验基地;

这里,科研人员研究设计了用于战略储备的国家第一个地下水封油库,已正常运行40多年;

这里,还是全国高强混凝土研究的起源地……

陈肇元院士在6号实验室工作了40多年(摄于“文革”期间)

随着时代和形势的变化,0304项目的研究重点也进行了相应调整。“70年代后期,特别是唐山大地震发生后,国家对抗震工作高度重视,0304项目的研究为结构抗震研究提供了重要基础。70年代末80年代初,基于国防工程中高抗力防护门的研究需要,项目组与军事部门合作进行试验研究,同时开启了高强高性能混凝土的研究工作。”朱金铨介绍道。

6号实验室设计图纸

6号实验室进行的开创性国防研究,成为土木系的科学研究之源,带动了清华大学相关学科的研究,如后来在全国首屈一指的结构抗震工程和高强高性能混凝土研究等。

在科研攻坚的过程中,项目组同样重视专业人才的培养,包括指导硕士生的论文工作和本科生的毕业设计,培养一批防护结构工程方面的领军人才。在0304项目积累的研究基础上,土木系于70年代开设了地下建筑专业,其中培养的很多毕业生后来成长为全国各地区人防办公室的骨干力量。现为中国工程院院士的清华校友、土木工程学专家、浙江大学建筑工程学院教授龚晓南,在本科四年级期间曾参加0304项目的科研工作,他当时的梦想就是成为抗爆防爆专家,后来成长为我国岩土工程界的领军人物。


终身难忘的第三次核试验

 

除了在“大本营”6号实验室进行紧张忙碌的研究,阚永魁、王玉庭、施岚青等项目组成员还赴烟台、张家口等地开展过为期2-3年的野外模型试验。另外,项目组还于1966年派出沈恒滋和阚永魁参加我国第三次核试验,并荣立三等功。同年5月9日,0304项目组负责人杨式德受工程兵司令员的邀请观摩了核试验。而这一切当时都在绝对保密的条件下进行,时隔约50年后才为人所知。

第三次核试验现场(杨式德在后排右一,摄于1966年)

为了保证试验量测的顺利完成,沈恒滋和阚永魁在京做了大量准备,从1965年起每天到工程兵科研所工作,对量测仪器进行全方面的检验、修正、适配,以保障在现场试验时,能够准确测量到防护结构在核爆冲击波作用之下的受损程度和结构的安全性能。工程兵施工部队则负责试验项目防护结构的施工。

上世纪60年代初的沈恒滋(左)和阚永魁

“1966年的冬天,我们穿着皮大衣、戴上棉帽子从马兰坐了一天的敞篷汽车到达核试验基地。通往基地的是条颠簸的小路,路上的小石头溅起来打在车窗上啪啪直响,周围除了干草没有别的生物,那时候我才真正领略到什么是戈壁滩。”阚永魁说。

核试验的日子越来越近,沈恒滋、阚永魁和其他参试人员一起,每天早上穿着防护服出操。“防护装很重又不透气,穿着又累又闷热,跑完步脱下防护服,倒出来都是汗水。我们每天从生活区出发,乘车去现场进行试验准备,之后再返回生活区。”阚永魁回忆道。

经过周密的准备,第三次核试验终于按期启动,参试人员撤离到离爆炸中心更远的山坡上。“当时防护眼镜有限,戴上眼镜可以直接看爆炸过程,我没有眼镜就先背过身去,爆炸之后再转过去看。看到蘑菇云的那一刻,我由衷地感到自豪。”回忆起核试验的场景,阚永魁心潮澎湃。

防护工程的试验地点就在距爆炸中心几十米的地方。爆炸一结束,参试人员就穿上防护服,戴上防护面具,乘坐防化汽车去回收量测仪器。“当时回收数据时发现量测仪器完好无损,位移、应变、压力等实时数据都是完整的,真的特别激动。”沈恒滋和阚永魁将数据带回北京后,项目组成员进行了长时间的分析。数据分析结果对国防工程、人防工程的设计规范制定发挥了重要作用。

参加核试验要绝对保密,阚永魁时隔46年才知道同在试验现场的还有杨式德;而沈恒滋的夫人金丽华时隔45年,在丈夫过世30年后才知道了他当年去哪里“出差了3个月”;杨式德的儿子杨嘉实在2012年终于知道了父亲遗物中的两张相片是在什么地方拍摄的……


0304精神:自力更生、 团结协作、不计名利

 

严格保密,不仅仅是参加核试验的基本要求,也是0304项目贯穿始终的要求。走进土木系系馆何善衡楼的一间资料室,映入眼帘的是一摞摞厚厚的0304项目资料袋和几十本写有编号和姓名的保密本。这些资料在之前的很多年里都保存在专门的保密柜里,直到近几年才解密。打开一本本泛黄的保密本,工整的字迹、细致的草图还有严密的推导公式都清晰可见,详细记录了每位成员的研究历程。

0304项目保密本

阚永魁在进行研究的同时还承担了0304项目的资料管理和保密工作。“每个人来了以后的第一件事情,就是接受保密教育,同时领取一本保密本,所有与0304相关的事情都得写在这个保密本上,并且只能在实验室内记录,不能带去别处,每天离开实验室时要交给我保管。”阚永魁回忆道。由于项目的高度保密性,从事的工作内容不能与他人述说,包括亲属;相关的研究成果不能公开发表,只能在规定的场合进行交流。

“那时所有的爆炸设备包括雷管、导爆索也都由我保管。爆炸器材放在一个专门的房间里,我在那里装了一个传感器,连着我住的房间。门只要一开,我房间里铃就响。有一次铃突然响了,吓得我赶紧去看,谁知道是大风刮的,算是虚惊一场。”一幕幕往事重新浮现在阚永魁的眼前。

这项在常人看来无利可图的艰巨任务,0304项目组的成员们却甘愿倾注毕生的心血去完成。从事这项科研工作意味着不能计较个人得失,而项目组的所有成员没有因此而退却或懈怠。“当时一听到这个工作后,大家憋着一口气,想着一定要为这个项目作贡献。虽然没有名也没有利,但是我们都齐心协力地拼命干活。那时候没有白天黑夜,很多人就住在学校或者实验室里,可以说是玩命地干,否则达不到这么快的研究进度。”朱金铨说。0304项目即使在“文革”期间也几乎没有中断。“那个年代人们思想淳朴,没有那么复杂,不会去考虑科研以外的东西,除了做出成果其他什么也不图。”来晋炎说。

“不积跬步,无以至千里”,0304项目组成员一步一步向前摸索,没有可供参考的研究范例,也没有现成的设备仪器,一切从零起步,自力更生,终于开拓出一片崭新的广阔天地。而想要顺利完成这项难度极大的科研任务,没有广泛而坚实的合作是难以想象的。在军队和学校的支持下,他们在国内与各兵种的科研设计单位开展协作,在校内各相关院系整合调动优势资源进行合作,在土木系内各个教研组密切配合,每个人充分发挥各自专长,互通有无,给予彼此最大的支持。“重活累活大家抢着干,从来没有听说有人叫过苦、喊过累。有时为了完成任务,需要通宵达旦地干,即使废寝忘食也斗志昂扬。”阚永魁说。

6号实验室(地上部分)于2009年被拆(摄于2009年4月)

50多年过去,年近九旬的老教师回忆起那段拼命科研的时光,仍然热血沸腾,激动得像个孩子。因为那是他们奉献给0304项目的无悔青春,那是他们自力更生、团结协作、不计名利的伟大征程,那是他们铸国之坚盾、育国之栋梁的峥嵘岁月……

光阴荏苒,那个凝聚0304项目全体人员心血的6号实验室(地上部分)现已不复存在。保留下的6号实验室地下室和暂存于附近的“大象”模爆器等当年的设备,仿佛时刻提醒着人们,那段尘封的历史尚未走远,祖国核防护工程里镌刻下的清华印记永远不会磨灭,而近20个春秋里烙印下的0304精神也将一直熠熠生辉……

图片提供:土木系

美术设计:刘泽玉

编辑:吕婷

2020年12月07日 11:00:57  清华新闻网

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