【瞧我們的前沿科技】
在浙江杭州城西科創(chuàng)大走廊腹地距地面15米的地下大廳內(nèi)，一臺(tái)粗長的旋臂緩緩啟動(dòng)，逐漸提速。末端的實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，300個(gè)g（常重力）的驚人加速度正讓物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)以“一眼萬年”的速度展開。伴隨轟鳴聲傳來，浙江省首個(gè)國家大科學(xué)裝置——超重力離心模擬與實(shí)驗(yàn)裝置（以下簡稱“CHIEF”）核心設(shè)備近日正式啟動(dòng)。
由浙江大學(xué)牽頭建設(shè)的CHIEF被《物理世界》雜志評價(jià)為“全世界能力最強(qiáng)的離心機(jī)”。如今率先開機(jī)運(yùn)行的CHIEF1300容量達(dá)到1300g·t（重力加速度·噸），刷新了全球紀(jì)錄。
什么是超重力？過山車俯沖時(shí)的失重與眩暈、飛機(jī)爬升時(shí)胸口的壓迫感，都是人們?nèi)粘？筛兄某亓w驗(yàn)。但在CHIEF實(shí)驗(yàn)艙中，研究人員可以把這種體驗(yàn)成百上千倍放大，用于模擬現(xiàn)實(shí)中無法直接觀測的極端過程。“我們希望通過離心加速度和負(fù)載的調(diào)控，構(gòu)建從瞬態(tài)到萬年、從原子級到千米級、從常溫常壓到高溫高壓的多相介質(zhì)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。”CHIEF首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士、浙江大學(xué)教授陳云敏介紹，這一裝置能夠讓地質(zhì)演化、滑坡塌陷、深海能源開采、新材料凝固等場景在實(shí)驗(yàn)室里加速呈現(xiàn)。
作為承前啟后的“模型機(jī)”，CHIEF1300實(shí)現(xiàn)了從150g到300g的最大加速度躍升，旋轉(zhuǎn)半徑從4.5米增加到6米，容量更是從400g·t提升到1300g·t。總工程師凌道盛介紹，團(tuán)隊(duì)為此創(chuàng)造性地提出了“上下兩端支撐、三導(dǎo)液壓軸承”的結(jié)構(gòu)體系，并自主研發(fā)了全球最大法蘭直徑的真空溫控系統(tǒng)，以解決高速運(yùn)轉(zhuǎn)下巨量熱量散除的難題。“CHIEF1300配備了不平衡力動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以在實(shí)驗(yàn)過程中自動(dòng)補(bǔ)償，保證高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性。”他說，這為未來開展更復(fù)雜的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。
這一“超級機(jī)器”的誕生并不容易。超高速運(yùn)轉(zhuǎn)、更長的機(jī)械臂、更極端的工況，意味著沒有現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)可循。為了保障設(shè)備安全運(yùn)行，研發(fā)團(tuán)隊(duì)跨學(xué)科協(xié)作，從結(jié)構(gòu)體系、真空密封、動(dòng)態(tài)平衡到材料工藝均需“破題”。“這臺(tái)機(jī)器的每一次轉(zhuǎn)動(dòng)，都凝結(jié)著數(shù)百位科研人員的心血。”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員感慨道。浙江大學(xué)多學(xué)科平臺(tái)會(huì)聚了來自建筑工程、控制、軟件、能源、材料等領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師，他們用跨界智慧為CHIEF的復(fù)雜系統(tǒng)提供了新的解法。
隨著CHIEF核心設(shè)備的啟用，18套自主研制的機(jī)載實(shí)驗(yàn)裝置一并亮相。其中6臺(tái)為國際首創(chuàng)，12臺(tái)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。它們猶如CHIEF的“十八般武藝”，為不同學(xué)科的探索提供支撐——造波造嘯及重力流實(shí)驗(yàn)裝置可以模擬20米高的海嘯與海床相互作用，揭示海底災(zāi)變機(jī)理；深海高壓溫控實(shí)驗(yàn)裝置能夠真實(shí)再現(xiàn)天然氣水合物開采過程，為能源開發(fā)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)；超重力振動(dòng)臺(tái)是國際上振動(dòng)能力最強(qiáng)的同類設(shè)備，可揭示百米尺度復(fù)雜場地的地震災(zāi)變規(guī)律；超重力定向凝固熔鑄爐為新材料研發(fā)開辟新途徑，制備出更致密、更優(yōu)質(zhì)的合金材料；500公里/小時(shí)高鐵路基動(dòng)力效應(yīng)裝置則將為高速鐵路建設(shè)提供科學(xué)驗(yàn)證。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的離心機(jī)中，多因素疊加作用，研究人員得以探索常規(guī)實(shí)驗(yàn)條件下無法觸及的科學(xué)前沿。陳云敏形象地比喻：“就像讓孫悟空在離心機(jī)里翻筋斗。”
CHIEF不僅是科學(xué)探索的工具，更是國家戰(zhàn)略需求的支撐。防災(zāi)減災(zāi)、能源開發(fā)、城市建設(shè)、材料創(chuàng)新……這些急需突破的領(lǐng)域都能在“超重力場”中找到研究路徑。教育部在加快CHIEF建設(shè)的同時(shí)，已發(fā)函支持組建“國家超重力場科學(xué)中心（籌）”。浙江大學(xué)也成立了超重力科學(xué)與技術(shù)研究院，匯聚多學(xué)科力量，共同推動(dòng)交叉研究。《物理世界》評論稱，CHIEF的建設(shè)使我國在超重力科學(xué)領(lǐng)域“一步跨入世界前列”。