壓縮時空 重現自然演變過程——探訪超重力離心模擬與實驗裝置

　　在杭州城西科創大走廊一座形似未來飛船的建筑內，國家重大科技基礎設施——超重力離心模擬與實驗裝置（CHIEF）建設迎來關鍵節點。

　　1月26日，科技日報記者探訪時看到，裝置中備受矚目的超重力重載機（CHIEF1900）和高速機（CHIEF1500）正在進行最后安裝，即將進入調試階段。這標志著由我國完全自主研發、被譽為“全世界能力最強的離心機”的CHIEF即將全面建成投用。

　　這套大科學裝置由3臺離心機主機及18套機載裝置組成。其首臺主機模型機（CHIEF1300）已于2025年9月投入運行并開展實驗。

　　“我們的裝置能夠模擬超過地球重力千百倍的‘超重力場’，是重大工程防災減災、深地深海資源開發及地質過程研究等領域不可或缺的科研利器。”CHIEF首席科學家、中國科學院院士、浙江大學教授陳云敏介紹，該裝置能通過產生超重力環境，壓縮時空，在短時間內模擬出長歷時、大尺度的自然演變與工程過程，為破解相關領域的關鍵科學難題提供實驗平臺。

　　超越國際同類裝置

　　走進杭州超重力實驗樓，呈現在眼前的是一座“深埋地下的科學堡壘”。通過大樓剖面模型可以清晰地看到，CHIEF的3臺核心設備——CHIEF1900、CHIEF1500、CHIEF1300像3只陀螺，在地下空間依次排列。

　　超重力，聽起來雖顯專業，但生活中無處不在。乘坐過山車時面部的拉扯感、飛機爬升時的壓迫感、汽車瞬間啟動的“推背感”……這些都是我們熟悉的超重力體驗。而CHIEF所要創造的，是百倍、千倍于地球重力的極端環境。

　　“其核心在于改變力場強度。”CHIEF總工程師、浙江大學求是特聘教授凌道盛解釋，“通過超重力帶來的縮尺、縮時和能量強化三大效應，我們得以在實驗室里重現自然界中漫長、宏大乃至極端的過程。”

　　乘坐電梯深入地下，步入金屬包裹的圓形實驗大廳，CHIEF1300的鋼鐵身軀赫然展現。它舒展著6.4米長的雙臂，兩端懸掛的8噸吊籃宛如“科學使命艙”。當它開始旋轉，便能模擬出10g—300g（重力加速度單位，1g≈9.80米/平方秒）的超重力環境，其綜合性能指標達到1300g·t（重力加速度·噸），位居世界前列。

　　“在吊籃中放置不同的實驗艙，就相當于把高山大海、高樓大廈‘搬進’實驗室。”主機組組長、浙江大學副教授汪玉冰生動地比喻道。這套系統使科學家能構建從原子尺度到千米尺度、從瞬間變化到萬年歷程的多維實驗環境，為解決巖土災變、深海勘探、材料研制等重大工程難題提供前所未有的研究手段。

　　作為工程建設大國，我國在防災減災、能源開發等領域面臨諸多涉及大尺度、長周期的科學挑戰。凌道盛坦言：“將現實中難以復現的場景‘搬進’實驗艙，驗證新技術、探索新規律，正是我們建設CHIEF的初心。”

　　目前全球有超重力離心機200余臺，但CHIEF的3臺主機綜合性能均已超越國際同類裝置，使我國擁有了世界上容量最大、功能最強的多學科超重力實驗平臺。

　　攻克兩大技術難題

　　站在CHIEF1300這座鋼鐵巨人的腳下，能清晰感受到其精密構造背后所承載的技術重量。

　　作為目前世界上容量最大的超重力離心機，CHIEF的建設沒有任何現成經驗可循。“所有困難和問題都要靠團隊自己攻克。”陳云敏的這句話，道出了這項工程所面臨的極限挑戰。

　　超重力離心機在高速旋轉時會產生巨大熱量，直接影響設備運行安全。團隊為此研制了全球最大法蘭直徑的真空溫控系統，通過多重冷卻技術組合，成功解決了高熱負荷下的溫控難題。凌道盛指著巨大的圓形艙體說：“這里不只是一座‘鋼鐵堡壘’，更是一個巨型密封罐和冷凍庫。”

　　降溫只是確保CHIEF正常運行的手段之一，穩定性才是擺在團隊面前一道棘手的難題。

　　圓形“堡壘”的底部，俯身可見CHIEF1300的“下肢”部分。汪玉冰告訴記者，由于最大加速度的限制，多數傳統離心機僅有兩個支點。這類結構如果在CHIEF1300的設計轉速下，可能出現“搖頭晃腦”的情況，無法正常工作。

　　“借鑒我國大型水輪機等旋轉機械的制造經驗，團隊創造性地提出‘上下兩端支撐+三導液壓軸承’的結構體系，成功破解了大容量、高離心加速度長臂離心機的穩定性難題。”汪玉冰說。

　　團隊在離心機頂部增加支點，用一根超過10米長的主軸貫穿機身，將上下支點的偏離誤差控制在0.05毫米內，這比一根頭發絲的直徑還要細。同時，團隊采用液壓滑動軸承替代傳統滾動軸承，以適應大軸徑、高轉速工況。

　　此外，CHIEF1300還配備了不平衡力動態調節的能力，可以應對實驗裝置在實驗過程中產生的動態不平衡力，實現自動調節補償。

　　“動力基礎‘扛得牢’，離心機‘穩得住’，實驗裝置才能‘住得安’。”汪玉冰告訴記者，在這座地下科學殿堂里，48項關鍵技術的突破與80余項專利的取得，共同鑄就了大國重器堅不可摧的技術基石。

　　拓展更多應用場景

　　離開CHIEF1300所在的“鋼鐵堡壘”，回到地面實驗室，另一番景象正徐徐展開——多套機載實驗裝置正在緊鑼密鼓地調試。這些裝置與3臺核心離心機協同工作，共同構成了一個多學科、多場景的實驗體系。

　　“CHIEF能在單次實驗中再現巖土體千米尺度演變、模擬污染物萬年遷移、獲取千種材料成分，為發現新現象、新理論提供可能。”陳云敏說。團隊自主研制的18套機載實驗裝置中，6套為國際首創，12套達國際領先水平。他打了個比喻說：“在高速旋轉的離心機上開展動態、多因素實驗，就像‘讓孫悟空在離心機里翻筋斗’。”

　　在實驗室內，深海高壓溫控實驗裝置尤為引人注目。負責人王路君研究員指著由圓柱體、儲氣罐等組成的箱體介紹，這套自研裝置首次在離心機上模擬了可燃冰的開采過程。

　　它被裝入CHIEF1300吊籃后，可模擬最深2000米的壓力與溫度環境。“20兆帕高壓與200g超重力結合，僅用1米高模型即可模擬200米深的沉積層。”王路君說，“這有助于優化開采工藝，評估地質災害風險。”

　　其他裝置同樣“神通廣大”：造波造嘯裝置能高精度模擬極端海洋環境，超重力振動臺可揭示9度烈度地震下百米級復雜場地的災變規律……它們支撐著邊坡與高壩、巖土地震工程、深海深地工程、地質過程等六大領域的科學研究。

　　“18套機載實驗裝置，如同‘巨人’手中的‘十八般兵器’，變化多端、神通廣大。”凌道盛說。

　　自CHIEF1300投入運行以來，已吸引全球科研機構前來合作，任務排期至2026年11月；功能更強的重載機與高速機也即將投用。

　　“人類一直渴望利用超重力探索自然界物質運動規律，CHIEF刷新了世界超重力離心機的容量紀錄，這意味著突破新的物理極限。”陳云敏表示，“這臺國之重器將引領我國超重力科技步入國際前列，為重大工程研發、資源開發與前沿科學提供關鍵支撐。”

　　轉自：科技日報

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