“地表最強”啟動！
在杭州城西科創大走廊腹地地下15米，離心機粗長的旋臂超高速運轉，位于末端的機載實驗艙承受著300個g的驚人加速度，艙內模擬的重力場正以“一眼萬年”的速度加速物質運動變化。
9月29日，由浙江大學牽頭建設的超重力離心模擬與實驗裝置（簡稱“杭州超重力場”，英文簡稱“CHIEF”）國家重大科技基礎設施核心設備啟動會舉行。
杭州超重力場建設有重載機（CHIEF1900）、高速機（CHIEF1500）、模型機（CHIEF1300）三臺離心機主機，是浙江省建設的首個國家大科學裝置。本次啟用運行的CHIEF1300是目前全世界容量最大的離心機。一同亮相的還有超重力團隊自主研發的超重力單向振動臺、深海高壓溫控實驗裝置、造波造嘯及重力流試驗裝置、超重力定向凝固熔鑄爐、500公里/小時高鐵路基動力效應裝置、超重力高壓高溫裝置等試驗裝備，用于模擬超重力環境下的深海深地、材料、交通等多學科場景。
史上容量之最
什么是超重力？
科學家通常將地球表面的重力加速度9.8 m/s2稱為常重力，小于它時稱為微重力，超過時稱為超重力。
飛機劇烈爬升時產生的壓迫感，汽車瞬間啟動產生的“推背感”……超重力體驗不僅廣泛存在于生活中，其在科學研究中更有著突破現有認知邊界的價值。
超重力離心機正是通過高速旋轉產生的離心力，模擬出百倍、千倍于地球重力的“人造重力場”。得益于極端重力條件下產生的縮尺效應、縮時效應、能量強化效應，能夠使得研究人員探尋巖土體崩塌、地質演化、材料強度、行星形成等一系列物質規律。基于超重力環境的實驗裝置是重大工程防災減災、深地深海資源開發、地下空間利用、新材料研制和地質過程研究等領域重要的科研利器。
與正在安裝的CHIEF1900和CHIEF1500相比，此次開機的CHIEF1300的容量相對較小，但已是全球之最。作為一臺承前啟后的離心機，CHIEF1300與紫金港校區建成運行的ZJU400相比，實驗能力大幅度提升：最大離心加速度翻倍（150g到300g）；旋轉半徑從4.5米增加到6.4米；最高轉速從每分鐘180轉提升到每分鐘214轉；最高容量400g·t提升到1300 g·t。其最大轉速每分鐘214轉，從啟動到達到300g大約需要30分鐘。
所遇困難之最
超高速運轉、更長的機械臂、更加極端的運行工況……CHIEF實現的多個“最”表明了團隊難以在過去的經驗上尋找答案，要在結構、接口、系統等等問題上破舊立新。浙江大學多學科平臺提供了這種可能，來自建工、控制、軟件、能源、環境、材料等多學科背景的科學家與工程師組成的團隊為CHIEF的復雜系統提供了新智慧，用交叉學科知識形成合力。
超重力離心機在高速旋轉時會產生大量熱量，讓離心機主機環境迅速升溫。為了保證離心機和機載裝置的安全，團隊設計擁有全球最大法蘭直徑的真空溫控系統，通過抽真空、冰河冷媒、通風冷卻的不同組合來帶走離心機高速旋轉產生的熱量，確保離心機能夠在高轉速下安全平穩運行。
“我們希望通過離心加速度和負載的調控，構建從瞬態到萬年時間尺度、從原子級到千米級空間尺度、從常溫常壓到高溫高壓等多相介質物質運動的實驗環境。”CHIEF首席科學家、中國科學院院士、浙江大學教授陳云敏介紹，CHIEF能夠在單次實驗中再現巖土體千米尺度演變與災變、污染物萬年歷時遷移及獲取千種材料成分，進而發現新現象、新理論。
“結合我國大型水輪機等旋轉機械制造的成功經驗，我們創造性地提出上下兩端支撐、三導液壓軸承的大容量、高離心加速度長臂的離心機結構體系。”CHIEF總工程師、浙江大學求是特聘教授凌道盛說。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”、機載裝置在實驗艙“住得安”，為CHIEF開展更復雜、高品質的動態實驗奠定了基礎。
模擬場景之最
CHIEF目前共有18套自主研制的能夠再現多物理場極端環境的機載實驗裝置，其中6臺國際首創，12臺達國際領先水平，全面支撐起多學科交叉研究。這種試圖在高速運轉的離心機上開展動態變化、多因素作用的實驗，陳云敏院士生動形容，就像是“讓孫悟空在離心機里翻筋斗”。
機載實驗裝置與核心設備：
造波造嘯及重力流實驗裝置
該裝置由波浪模擬系統和海嘯及重力流模擬系統兩部分組成，可用于模擬原型4m高波浪，20m高海嘯與海床相互作用和近岸海床設施失穩過程，以及高度10m、流速10m/s的海底重力流運移和侵蝕海床過程，旨在揭示波浪下海床土泥轉化、海嘯爬升形態演變及重力流運移和致災機理，為我國重大基礎設施安全與深海能源開發提供技術支撐。
深海高壓溫控實驗裝置
該裝置能真實模擬原位水合物開采過程，通過實時、快速、精確測定模擬對象的溫度場、應力場、變形場、滲流場等參數，研究開采過程中天然氣水合物相變過程，以及由此導致的塌、漏、堵等海床-井管系統災變機制，為高效、安全開采深海天然氣水合物提供科學支撐。
超重力振動臺
我國強震頻發、損失巨大，給重大基礎設施建設與運維帶來了挑戰，而超重力振動臺被認為是研究百米尺度復雜場地地震動演變規律與巖土體致災效應的唯一有效手段。該設備振動能力達到120 g·t，建成后將是國際上有效負載最大、振動能力最強的超重力振動臺，可揭示9度（烈度）單向地震動下百米級復雜場地的地震響應與災變規律，為發展震害評估與抗震設計方法、保障基礎設施抗震韌性提供科技支撐。
超重力定向凝固熔鑄爐
在超重力等環境的多重作用下制造的合金材料晶粒更細、致密度更高、偏析度更小，成為性能優異的工程材料。該設備最高溫度1600℃，最大通氣流量70L/min氬氣。基于超重力強化密度差產生的相分離效應，通過超重力、溫度、通氣流量等因素調控固-液界面前沿溶質對流及溫度梯度，實現控構和控性，為制備性能優異的新材料創造了條件，對凝固理論的發展具有重要的理論指導意義。
500公里/小時高鐵路基動力效應裝置
浙江大學研制的新一代高速鐵路路基動力效應試驗裝置能已建成并進入調試試運行階段，列車運行速度達500km/h，列車軸重達40噸，具備模擬目前國內外所有高速列車對路基的加載能力，建成后將為我國時速500公里高速鐵路的路基設計與建造關鍵技術提供技術驗證，并為適應極端地質和極端氣候條件的高速鐵路新技術研發提供重要的試驗平臺。
超重力高壓高溫裝置
500T級高溫高壓裝置主要結構包括500T壓機+活塞-圓筒/多面砧壓腔，適用于ZJU400離心機和CHIEF-1300模型機。活塞-圓筒壓腔主要由支撐隔板、上托盤、壓力盤、活塞和底座組成。通過活塞對碳化鎢內部的樣品進行加壓，通過循環冷卻水對壓力盤和相關部件進行冷卻，維持系統長時間穩定性。目前超重力活塞-圓筒型壓機在120g超重力場實現最高1500℃-3.2 GPa溫壓條件。
三輪驅動創新研究數智中心
數智中心通過監測離心機全生命周期運行狀態，構建服役性能退化與風險預警模型，保障離心機運行安全、穩定、高效；通過融合超重力實驗、數值模擬、現場原位監測等多源數據，實現了“超重力物理模型-數學模型-數據模型”三輪驅動創新科研范式，并初步取得成效。以滑坡災害人工智能預測為例，與一般人工智能模型相比，融合三輪數據的人工智能預測模型準確率從80%提升至90%。
（文 周天宇 查蒙/ 圖 哲映 部分來源于受訪者）
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