官方网站-首页

【导语】世界已步入大科学时代，我国一批大科学设施相继建成，为科技强国与高质量发展注入强劲动力。其中，由浙江大学牵头建设的超重力离心模拟与实验装置（“杭州超重力场”）尤为瞩目，其核心设备CHIEF1300能产生高达地球重力300倍的“超重力场”，让科学家在实验室中“一眼千年”，洞察地质演变奥秘，为能源开发、防灾减灾等领域提供前所未有的研究平台(tái)。

世(shì)界(jiè)已经进入大科学时代。新时代以来，我国一批大科学设施建成运营，撬动关键技术突破，重大成果不断涌现，培育了新兴产业集群，为(wèi)科(kē)技(jì)强(qiáng)国(guó)建(jiàn)设(shè)和(hé)经(jīng)济(jì)社(shè)会(huì)高(gāo)质(zhì)量(liàng)发(fā)展(zhǎn)提(tí)供(gōng)了(le)坚(jiān)实(shí)支(zhī)撑(chēng)。日(rì)前(qián)被(bèi)世(shì)界(jiè)权(quán)威(wēi)期(qī)刊(kān)称(chēng)为(wèi)“全世(shì)界(jiè)能(néng)力(lì)最(zuì)强(qiáng)的(de)离(lí)心(xīn)机(jī)”的(de)超(chāo)重(zhòng)力(lì)离(lí)心(xīn)模(mó)拟(nǐ)与(yǔ)实(shí)验(yàn)装(zhuāng)置(zhì)，便(biàn)是(shì)其(qí)中(zhōng)代表之一。

超重力离心模拟与实验装置启动的首台离心机主机“CHIEF1300”。 魏志阳 姚颖康 摄

中国古代有“烂柯观棋”传说。晋人王质在山中看棋片刻，出山已是百年后。

近日，由浙江大学牵头建设的国家重大科技基础设施——超重力离心模拟与实验装置（简称杭州超重力场）核心设备启动，开启科学实现“山中方一日，世上已千年”的梦想之门。

在杭州市余杭区，我们见到了它。当其核心设备之一、目前世界最大容量离心机CHIEF1300高速挥舞一双长达6.4米的巨型转臂，臂两端吊篮内可产生高达地球重力300倍的“超重力场”。这意味着科学家们几天就能洞察地质千年的演变。

杭州超重力场包含CHIEF1300、CHIEF1500和CHIEF1900三台离心机主机，以及拥有六座实验舱的18台机载装置，覆盖边坡与高坝、岩土地震工程、深海工程、深地工程与环境、地质过程、材料制备等关键研究领域。这一大科学装置如何实现“时空压缩”，让人“一眼千年”？

超重力离心模拟与实验装置实验大楼。 魏志阳 姚颖康 摄

“以小见大”有科学依据

科学家通常将地球表面的重力加速度（9.8米每平方秒，英文缩写为g）称为常重力，当数据超过一个单位时则称为超重力。

神舟十一号航天员陈冬描(miáo)述(shù)过(guò)，飞(fēi)船(chuán)上(shàng)升(shēng)时(shí)，可(kě)达(dá)5.5倍(bèi)地(de)表(biǎo)重(zhòng)力(lì)加(jiā)速(sù)度(dù)，这(zhè)样(yàng)的(de)超(chāo)重(zhòng)力(lì)会(huì)让(ràng)航(háng)天(tiān)员(yuán)产(chǎn)生(shēng)胸(xiōng)闷(mèn)、呼(hū)吸(xī)不(bù)畅(chàng)等(děng)反(fǎn)应(yīng)。

作(zuò)为(wèi)最(zuì)先(xiān)启(qǐ)动(dòng)的(de)离(lí)心(xīn)机(jī)，CHIEF1300虽(suī)然(rán)是(shì)三(sān)台(tái)中(zhōng)容(róng)量(liàng)最小的，但也达到了1300400g·t（100倍重力加速度下，离心机有效负载可达13吨），为全球之最。

CHIEF1300的主机室是一间占地约230平方米的圆形地下室，位于中央的离心机就像是一个能够高速“自转”的巨型“天平”。

在CHIEF1300的世界里，当转臂带着两个8吨重的吊篮高速旋转，会产生巨大的离心力场，吊篮内最高能达到300倍常重力。科学家利用这种环境，能在实验室中以小尺寸和短时间，模拟再现真实世界中需巨大空间或漫长岁月才能完成的地质演变、重大灾害和极端现象。

项目首席科学家、中国科学院院士、浙江大学教授陈云敏说，这座建成后将成为世界上超重力离心机容量最大、实验舱功能最强的多学科实验设施，核心能力在于“时空压缩”与“能量强化”。

“缩尺效应”让“以小见大”有了科学依据。例如，在100倍重力(lì)加(jiā)速(sù)度(dù)下，1米高的模型可以模拟100米高边坡的灾变过程。“缩时效应”则可以使得100年的污染物质迁(qiān)移(yí)过(guò)程缩至3.65天呈现。

“能量强化”让极端场景的模拟成为可能。小型爆源在超重力场“强化”下能模拟大当量爆炸效果。

同时(shí)，国(guó)家(jiā)在(zài)防(fáng)灾(zāi)减(jiǎn)灾(zāi)、能(néng)源(yuán)开(kāi)发(fā)、环(huán)境(jìng)保(bǎo)护(hù)等(děng)领(lǐng)域的(de)重(zhòng)大(dà)战(zhàn)略(è)需(xū)求(qiú)，常(cháng)受(shòu)限(xiàn)于(yú)大(dà)尺(chǐ)度(dù)、长(zhǎng)周期、多因素耦合的复杂场景，难以在实验室复现。CHIEF1300和正在建设中的CHIEF1500、CHIEF1900，使构建“超重力+特殊环境”的极限实验条件成为可能，为验证前沿技术提供了前所未有的平台。

探索打造“极限系统”

“离心机，全世界没人造过这么大的。”回忆起2019年项目启动时的场景，项目主机组组长、浙江大(dà)学(xué)长(zhǎng)聘副教授汪玉冰觉得“压力像山一样”。要知道，团队要造的是一套能稳定模拟百千倍重力加速度的“极限系统”，处处充满了创新，一切都需要探索。

“一方面要做到国际领先，一方面又要确保技术成熟，能顺利产出成果。”陈云敏这样阐释CHIEF建设的高难度。

对工程建设而言，光“原理上行得通”是远远不够的。技术上的所有隐患必须消除。陈云敏院士带领团队在预研阶段列出了48项关键技术。大量零部件都是为了CHIEF1300专门设计制造的。有一个质量不过关，装置建设和科学研究目标就实现不了。

最大的难题是保障转臂的“稳定性”。臂式离心机的核心是“转得快、转得稳”，CHIEF1300的转臂最大线速度能达到137米每秒。“两臂质量些许不平衡在高转速条件下就会引起较大的振动，从而影响整个装置的性能。”项目总工程师、浙江大学求是特聘教授凌道盛说。

起初，团队参考了国内外同类装置的设计——在转臂之下一侧的主轴上安装两个轴承支撑。可分析和试验后发现，当重力加速度从250g增加到300g时，无法满足离心机动力稳定需求。“这条路走不通。”陈云敏院士决定，“改设计，加固定支点！”

新方案是在转臂之上增加一个轴承，就像在顶部增加支点稳住陀螺一样。同时，采用液压滑(huá)动(dòng)轴(zhóu)承(chéng)替(tì)代(dài)传(chuán)统(tǒng)机(jī)械(xiè)滚(gǔn)动(dòng)轴(zhóu)承(chéng)，以(yǐ)适(shì)应(yīng)大(dà)轴(zhóu)径、高(gāo)转(zhuǎn)速(sù)的(de)需(xū)求(qiú)。这(zhè)个(gè)想(xiǎng)法(fǎ)一(yī)提(tí)出(chū)，就(jiù)有(yǒu)一(yī)些(xiē)质(zhì)疑(yí)的(de)声(shēng)音(yīn)。“滑(huá)动(dòng)轴(zhóu)承(chéng)常(cháng)用(yòng)于(yú)水(shuǐ)轮机，水轮机转动部分是圆柱形，液压轴承受力比较均匀；而离心机转臂就像主轴‘挑着的担子’，试验过程中轴(zhóu)承(chéng)不(bù)可(kě)避(bì)免(miǎn)地(de)承(chéng)受(shòu)不(bù)平(píng)衡(héng)力(lì)作(zuò)用(yòng)。”凌(líng)道(dào)盛(shèng)解(jiě)释(shì)。

为(wèi)了(le)验(yàn)证(zhèng)可(kě)行(xíng)性(xìng)，项(xiàng)目(mù)团(tuán)队(duì)找(zhǎo)到(dào)了(le)东(dōng)方(fāng)电(diàn)气(qì)——国(guó)内(nèi)最(zuì)擅(shàn)长(zhǎng)重(zhòng)载(zài)滑(huá)动(dòng)轴(zhóu)承(chéng)研(yán)发(fā)的(de)企业之一。双方做了上百次受力模拟。最终，团队创造性地提出上下两端支撑、三导一推液压轴承的大容量、高离心加速度长臂的离心机结构体系。安装导轴承时，垂直误差被严格控制在每米0.05毫米（5丝）内，相当于(yú)一(yī)根(gēn)头(tóu)发(fā)丝(sī)的(de)直(zhí)径。

另(lìng)一(yī)重(zhòng)难(nán)关接(jiē)踵(zhǒng)而(ér)至(zhì)：温(wēn)度(dù)控(kòng)制(zhì)。当(dāng)超(chāo)重(zhòng)力(lì)离(lí)心(xīn)机(jī)的(de)转(zhuǎn)臂(bì)高(gāo)速(sù)旋(xuán)转(zhuǎn)时(shí)，空(kōng)气(qì)摩擦产生的热量会让机室内部温度急剧升高。在此前建设的容量400g·t的超重力离心机ZJU400上进行试验时，当重力加速度达到150倍时，机室温度冲到了80℃，严重影响离心机和机载装置的运行稳定性和安全。杭州超重力场的离心机转速更快，产生热量更高。“必须控制温度。”陈云敏团(tuán)队(duì)在(zài)ZJU400侧壁液冷基础上创新性提出了真空温控系统——组合使用真空和侧壁液冷，把主机室抽成真空的同时，在侧壁换热器中通入最低达-35℃的载冷剂带走离心机高速旋转产生的热量，将机室温度控制在40℃以内。

为了给离心机提供一个稳定的基础，工程队向下开挖了当时杭州最深的、相当于12层楼的基坑，四周浇了平均厚度超过2米、最厚达4米的混凝土墙，里面还加了多层钢筋网。

正是在一次次尝试、失败、再尝试中，项目团队联合国内20多家单位，攻克了48项关键技术，拿到了国内外80多项发明专利，国际首创6台机载实验装置。

“过程太艰难了，但我们最终还是成功了！”9月29日的核心设备启动仪式上，在接受记者采访时，项目总工艺师、浙江大学求是特聘教授蒋建群红了眼眶，“大家努力了这么多年，不过是阶段性成果，我们的科研之路还在继续。”

这支团队从不缺“离开”的选择，也曾有人因身体原因而不得不停下脚步，但团队成员从未失去信心，他们选择坚持。

浙江大学长聘副教授孔德琼自2017年从牛津大学归国后，便持续投身于“造波、造啸及重力流实验装置”的预研与建设工作。他表示，支撑团队坚守至今的，是深植于内心的强烈求知欲，更有每一次试验成功时，那份无可替代的自我价值实现感。

大装置有大用处

“国庆假期？没顾上休息。”项目高压温控深海装置负责人、浙江大学研究员王路君假期里依然与一台1米多高的圆柱形装置为伴——这是他的团队自研的“深海高压温控实验装置”，也是世界领先的深海模拟器。它可被装入CHIEF1300的吊篮，在200倍常重力条件下模拟2000米深海的极端环境，探索可燃冰开采的新方法。

对普通人来说，可燃冰或许只是新闻里的“清洁能源”，但在王路君眼里，它关系着未来每一户家庭的能源供应。它的成分中，八成是含甲烷的物质，分布在深海海底，是应对全球能源危机的理想替代能源。我国可燃冰(bīng)储(chǔ)量(liàng)丰(fēng)富(fù)，可(kě)开(kāi)采难(nán)度(dù)极(jí)大(dà)——深(shēn)海(hǎi)的(de)高(gāo)压(yā)低(dī)温(wēn)环(huán)境(jìng)中(zhōng)，可(kě)燃(rán)冰(bīng)一(yī)旦(dàn)脱(tuō)离(lí)原(yuán)位(wèi)就(jiù)容(róng)易(yì)分(fēn)解(jiě)，稍(shāo)有(yǒu)不(bù)慎(shèn)就(jiù)会(huì)引(yǐn)发(fā)海(hǎi)底(dǐ)滑(huá)坡(pō)，甚(shén)至(zhì)释(shì)放(fàng)大量甲烷加剧温室效应。

“现在有了超重力，能亲手‘摸’到开采的规律。”王路君给出一组实验数据：去年在ZJU400的预研装置上，团队用(yòng)100倍(bèi)重(zhòng)力(lì)加(jiā)速(sù)度(dù)模(mó)拟(nǐ)2000米(mǐ)深(shēn)海(hǎi)水(shuǐ)压(yā)和(hé)可燃冰储层的力学场，1小时就还原了现场416天的可燃冰开采演变过程；他们还首次尝试竖井压裂技术，把产气速率提升1倍。可他们并不满足——距离海域商业化开采需要每天20万立方米的效率，数据还差得远。

启用CHIEF1300，王路君团队的目标更进一步：模拟海床下200米厚的水合物应力状(zhuàng)态，用分段压裂开采技术“精准唤醒”可燃冰。“相当于在实验室里造一个‘微型海底’，每一步都能看到哪里容易出问题，怎么改进。”他说，“如果能突破这个阈值，我国的海洋能源开发就能再往前迈一大步，未来大家用的天然气，可能就是来自深海的可燃冰。”

在杭州超重力场的实验大厅里，这(zhè)样(yàng)的(de)“民(mín)生(shēng)关联(lián)”还(hái)有(yǒu)很(hěn)多(duō)：造(zào)啸(xiào)及(jí)重(zhòng)力(lì)流(liú)实(shí)验(yàn)装(zhuāng)置(zhì)能(néng)模(mó)拟(nǐ)海(hǎi)啸(xiào)对(duì)近(jìn)岸(àn)建(jiàn)构(gòu)筑(zhù)物(wù)致(zhì)灾(zāi)效(xiào)应(yīng)、海(hǎi)底(dǐ)重(zhòng)力(lì)流(liú)侵(qīn)蚀(shí)海(hǎi)床(chuáng)与运移机理，为沿海城市防洪堤设计和海底地貌演变预测提供支撑；超重力振动台可复现9度烈度地震下的场地响应，验证不同加固措施的抗震效果；高压高温装置可以重现地球深部万年尺度的地质演变，为深部地球科学研究提供关键约束……就连材料科学团队，也在超重力下制备出强度提升45%的铜锆合金，强度提高60%、塑性提高20%的铜镍锡合金等，有望解决高铁用高强导电材料、高强高弹性轴承材料等关键零部件的“卡脖子”问题，让中国制造的高铁走向全球。

未来，当这些在超重力环境下验证的技术应用于实际，每个人都能受益：使用的能源更加清洁，居住的房屋更加安全，交通工具更有效率……

杭州超重力场更是一个开放的平台。预计其建成后，海内外用户将超1000家。

“希望全球学者带着好奇心来这里尝试，一起探索人类超重力领域的认知边界。”陈云敏(mǐn)说(shuō)。

（本(běn)文作者 何冬健 唐骏垚）

延伸阅读

我国部分代表性大科学装置 

自20世纪80年代中国建设首个大科学装置算起，目前全国已经布局建设、在建和运行的重大科技基础设施项目总量超70个，数量上已处于世界领先梯队，技术上也逐渐实现部分领跑。

让我们一起走进部分具有代表性的大科学装置，看它们何以为“大”。

晨光下的高能同步辐射光源。 新华社发

北京正负电子对撞机

北京正负电子对撞机位于天安门广场向西约15公里，形似一只羽毛球拍。这是中国第一台大科学装置。它由北向南卧在地下，由一台长202米的直线加速器、一组共200米长的束流输运线、一台周长240米的储存环加速器(qì)、一(yī)座(zuò)高(gāo)6米(mǐ)重(zhòng)700吨(dūn)的(de)大(dà)型(xíng)探(tàn)测(cè)器(qì)“北(běi)京(jīng)谱(pǔ)仪(yí)”和(hé)14个(gè)同(tóng)步(bù)辐(fú)射(shè)实(shí)验(yàn)站(zhàn)等(děng)组(zǔ)成(chéng)。

微(wēi)观粒子的性质不像宏观物质一样易于直接观察。正负电子对撞机使正负电子产生对撞，以产生新的基本粒子。科学家通过对这些数据的处理和分析，进一步揭示微观世界的奥秘。

1988年，北京正负电子对撞机宣布建造成功。凭借它产出的数据，中国科学家取得了一批在国际高能物理界有影响的重要研究成果。时至今日，北京正负电子对撞机的工作仍在继续。

500米口径球面射电望远镜

500米口径球面射电望远镜位于贵州省平塘县，占地面积约25万平方米，由主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、接收机与终端系统及观测基地等几大部分构成。它是世界上最大、最灵敏的单口径球面射电望远镜，也被称作“中国天眼”。

自2016年落成启用至今，“中国天眼”帮助人类探索(suǒ)宇(yǔ)宙(zhòu)的(de)起(qǐ)源(yuán)、演(yǎn)化(huà)及(jí)其(qí)结(jié)构(gòu)，为(wèi)理(lǐ)解(jiě)宇(yǔ)宙(zhòu)中(zhōng)的(de)前(qián)沿(yán)科(kē)学问题提供了重要的观测数据，也为国际科学界交流与合作搭建了重要平台。

2017年10月，“中国天眼”宣布发现首批新脉冲星，这是中国人首次利用自己独立研制的射电望远镜发现脉冲星。目前，“中国天眼”已发现的脉冲星数量达到1152颗，这一数量早已远(yuǎn)超(chāo)同(tóng)一(yī)时(shí)期(qī)国(guó)际(jì)上(shàng)其(qí)他(tā)望(wàng)远(yuǎn)镜(jìng)发(fā)现(xiàn)脉(mài)冲(chōng)星(xīng)数(shù)量(liàng)的(de)总(zǒng)和(hé)。

高(gāo)海(hǎi)拔(bá)宇(yǔ)宙(zhòu)线(xiàn)观(guān)测(cè)站(zhàn)

高海拔宇宙线观测站，也被大家叫作“拉索”。它是目前世界上海拔最高、规模最大、灵敏度(dù)最(zuì)强(qiáng)的(de)伽(jiā)马射线探测装置，位于四川省稻城县海拔4410米的海子山上，占地面积约1.36平方公里，像一个巨大的“圆盘”铺展在大地上。

2023年，“拉索”顺利通过国家验收，正式投入运行。它的任务是接住从外太空“洒”向地球的宇宙射线，让科学家借此发现宇宙深处的未知世界，破解宇宙射线起源的谜题。

空间环境地面模拟装置

空间环境地面模拟装置位于黑龙江省哈尔滨市，坐落于一片面积接近50个足球场大小的区域。这是我国航天领域首个大科学装置，于2024年通过国家验收。

该装置能够综合模拟真空、辐照、弱磁等九大类空间环境因素，揭示其对材料、器件、系统及生命体的影响规律，为航天器的高可靠与长寿命运行、航天员长期太空驻留等提供关键研究支撑。这意味着未来许多需要抵达太空才能进行的实验，在地面上就能完成。

作为一个面向全球开放的科研共享平台，截至目前，空间环境地面模拟装置已累计为国内外科研团队提供超过6万小时的实验服务。

高能同步辐射光源

高亮度的特性决定了同步辐射光源可以用来做许多常规光源所无(wú)法(fǎ)进(jìn)行(xíng)的(de)工(gōng)作(zuò)。

北(běi)京(jīng)怀(huái)柔(róu)的(de)雁(yàn)栖(qī)湖(hú)畔(pàn)，正(zhèng)在(zài)建(jiàn)设(shè)的(de)高(gāo)能(néng)同(tóng)步(bù)辐(fú)射(shè)光(guāng)源是世界上设计亮度最高的第四代同步辐射光源，建成后将发出地球上“最亮的光”，可提供纳(nà)米(mǐ)探(tàn)针(zhēn)、非(fēi)弹(dàn)散(sàn)射(shè)、相(xiāng)干(gàn)衍(yǎn)射(shè)、超(chāo)高(gāo)时(shí)间(jiān)分(fēn)辨(biàn)等(děng)多(duō)种(zhǒng)前(qián)沿(yán)实(shí)验(yàn)方(fāng)法(fǎ)。

这(zhè)也(yě)是(shì)中(zhōng)国(guó)第(dì)一(yī)台(tái)高(gāo)能(néng)同(tóng)步(bù)辐(fú)射(shè)光(guāng)源(yuán)，结(jié)合(hé)能(néng)量(liàng)高(gāo)达(dá)300千(qiān)电(diàn)子(zi)伏(fú)特(tè)的(de)高(gāo)能(néng)X射(shè)线(xiàn)，助(zhù)力(lì)实(shí)时(shí)、原(yuán)位(wèi)、实际工况的物质微观结构及其演变机制解析，开展更灵敏、更精细、更快速、更复杂和更接近实际工作环境的科学研究。项目预计在2025年底完成一期工程。

（本文作者 严粒粒 ）