【導語】世界已步入大科學時代，我國一批大科學設施相繼建成，為科技強國與高質量發展注入強勁動力。其中，由浙江大學牽頭建設的超重力離心模擬與實驗裝置（“杭州超重力場”）尤為矚目，其核心設備CHIEF1300能產生高達地球重力300倍的“超重力場”，讓科學家在實驗室中“一眼千年”，洞察地質演變奧秘，為能源開發、防災減災等領域提供前所未有的研究平台。

世界已經進入大科學時代。新時代以來，我國一批大科學設施建成運營，撬動關鍵技術突破，重大成果不斷湧現，培育了新興產業集群，為科技強國建設和經濟社會高質量發展提供了堅實支撐。日前被世界權威期刊稱為“全世界能力最強的離心機”的超重力離心模擬與實驗裝置，便是其中代表之一。

超重力離心模擬與實驗裝置啟動的首台離心機主機“CHIEF1300”。 魏誌陽 姚穎康 攝

中國古代有“爛柯觀棋”傳說。晉人王質在山中看棋片刻，出山已是百年後。

近日，由浙江大學牽頭建設的國家重大科技基礎設施——超重力離心模擬與實驗裝置（簡稱杭州超重力場）核心設備啟動，開啟科學實現“山中方一日，世上已千年”的夢想之門。

在杭州市餘杭區，糖心免费视频見到了它。當其核心設備之一、目前世界最大容量離心機CHIEF1300高速揮舞一雙長達6.4米的巨型轉臂，臂兩端吊籃內可產生高達地球重力300倍的“超重力場”。這意味著科學家們幾天就能洞察地質千年的演變。

杭(háng)州超重力場包含CHIEF1300、CHIEF1500和CHIEF1900三台離心機主機，以及擁有六座實驗艙的18台機載裝置，覆蓋邊坡與高壩、岩土地震工程、深海工程、深地工程與環境、地質過程、材料製備等關鍵研究領域。這一大科學裝置如何實現“時空壓縮”，讓人“一眼千年”？

超重力離心模擬與實驗裝置實驗大樓。 魏誌陽 姚穎康 攝

“以小見大”有科學依據

科學家通常將地球表麵的重力加速度（9.8米每平方秒，英文縮寫為g）稱為常重力，當數據超過一個單位時則稱為超重力。

神舟十一號航天員陳冬描述過，飛船上升時，可達5.5倍地表重力加速度，這樣的超重力會讓航天員產生胸悶、呼吸不暢等反應。

作為最先啟動的離心機，CHIEF1300雖然是三台中容量最小的，但也達到了1300400g·t（100倍重力加速度下，離心機有效負載可達13噸），為全球之最。

CHIEF1300的主機室是一間占地約230平方米的圓形地下室(shì)，位於中央的離心機就像是一個能夠高速“自轉”的巨型“天平”。

在CHIEF1300的世界裏，當轉臂帶著兩個8噸重的吊籃高速(sù)旋(xuán)轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生(shēng)巨(jù)大(dà)的(de)離(lí)心(xīn)力(lì)場(chǎng)，吊(diào)籃(lán)內(nèi)最(zuì)高(gāo)能(néng)達(dá)到(dào)300倍(bèi)常(cháng)重(zhòng)力(lì)。科(kē)學(xué)家(jiā)利(lì)用(yòng)這(zhè)種(zhǒng)環(huán)境(jìng)，能(néng)在(zài)實(shí)驗(yàn)室(shì)中(zhōng)以(yǐ)小(xiǎo)尺(chǐ)寸(cùn)和(hé)短(duǎn)時間，模擬再現真實世界中需巨大空間或漫長歲月才能完成的地質演變、重大災害和極端現象。

項目首席科學家、中國科學院院士、浙江大學教授陳雲敏說，這座建成後將成為世界上超重力離心機容量最大、實驗艙功能最強的多學科實驗設施，核心能力在於“時空壓縮”與“能量強化”。

“縮尺效應”讓“以小見大”有了科學依據。例如，在100倍重力加速度下，1米高的模型可以模擬100米高邊坡的災變過程。“縮時效應”則可以使得100年的汙染物質遷移過程縮至(zhì)3.65天(tiān)呈(chéng)現(xiàn)。

“能(néng)量(liàng)強(qiáng)化(huà)”讓(ràng)極(jí)端(duān)場(chǎng)景(jǐng)的(de)模(mó)擬(nǐ)成(chéng)為(wèi)可(kě)能(néng)。小(xiǎo)型(xíng)爆(bào)源(yuán)在(zài)超(chāo)重(zhòng)力(lì)場(chǎng)“強(qiáng)化(huà)”下(xià)能(néng)模(mó)擬(nǐ)大(dà)當(dāng)量(liàng)爆(bào)炸(zhà)效(xiào)果(guǒ)。

同(tóng)時，國家在防災減災、能源開發、環境保護等領域的重大戰略需求，常受限於大尺度、長周期、多因素耦合的複雜場景，難以在實驗室複現。CHIEF1300和正在建設中的CHIEF1500、CHIEF1900，使構建“超(chāo)重(zhòng)力(lì)+特(tè)殊(shū)環境”的極限實驗條件成為可能，為驗證前沿技術提供了前所未有的平台。

探索打造“極限係統”

“離心機，全世界沒人造過這麽大的(de)。”回(huí)憶(yì)起(qǐ)2019年(nián)項(xiàng)目(mù)啟動時的(de)場景，項目主機組組長、浙江大學長聘副教授汪玉冰覺得“壓力像山一樣”。要知道，團隊要造的是一套能穩定模擬百千倍重力加速度的“極限係統”，處處充滿了創新，一切都需要探索。

“一方麵要做到國際領先，一方麵又要確保技術成熟，能順利產出成果。”陳雲敏這樣闡釋CHIEF建設的高難度。

對工程建設而言，光“原理上行得通”是遠遠不夠的。技術上的所有隱患必須消除。陳雲敏院士帶領團隊在預研階段列出了48項關鍵技術。大量零部件都是為了CHIEF1300專門設計製造的。有一個質量不過關，裝置建設和科學研究目標就實現不了。

最大的難題是保障轉臂的“穩定性”。臂式離心機的核心是“轉得快、轉得穩”，CHIEF1300的轉臂最大線速度能達到137米每秒。“兩臂質量些許不平衡在高轉速條件下就會引起較大的振動，從而影響整個裝置的性能。”項目總工程師、浙江大學求是特聘教授淩道盛說。

起初，團隊參考了國內外同類裝置的設計——在轉臂之下一側的主軸上安裝兩個軸承支撐。可分析和試驗後發現，當重力加速度從250g增加到300g時，無法滿足離心機動力穩定需求。“這條路走不通。”陳雲敏院士決定，“改設計，加固定支點！”

新方案是在轉臂之上增加一個軸承，就像在頂部增加支點穩住陀螺一樣。同時，采用液壓滑動軸承替代傳統機械滾動軸承，以適應大軸徑、高轉速的需求。這個想法一提出，就有一(yī)些(xiē)質(zhì)疑(yí)的聲音。“滑動軸承常用於水輪機，水輪機轉動部分是圓柱形，液壓軸承受力比較均勻；而離心機轉臂就像主軸‘挑著的擔子’，試驗過程中軸承不可避免地承受不平衡力作用。”淩道盛解釋。

為了驗證可行性，項目團隊找到了東方電氣——國內最擅長重載滑動軸承研發的企業之一。雙方做了上百次受力模擬。最終，團隊創造性地提出上下兩端支撐、三導一推液壓軸承的大容量、高離心加速度長臂的離心機結構體係。安裝導軸承時，垂直誤差被嚴格控製在每米0.05毫米（5絲）內，相當於一根頭發絲的直徑。

另一重難關接踵而至：溫度控製。當超重力離心機的轉臂高速旋轉時，空氣摩擦產生的熱量會讓機室內部溫度急劇升高。在此前建設的容量400g·t的超重力離(lí)心機ZJU400上進行試驗時，當重力加速度達到150倍時，機室溫度衝到了80℃，嚴重影響離心機和機載裝置的運行穩定性和安全。杭州超重力場的離心機轉速更快，產生熱量更高。“必須控製溫度。”陳雲敏團隊在ZJU400側壁液冷基礎上創新性提出了真空溫控係統——組合使用真空和側壁液冷，把主機室抽成真空的同時，在側壁換熱器中通入最低達-35℃的載冷劑帶走離心機高速旋轉產生的熱量，將機室溫度控製在40℃以內。

為了給離心機提供一個穩定的基礎，工程隊向下開挖了當時杭州最深的、相當於12層樓的基坑，四周澆了平均厚度超過2米、最厚達4米的混凝土牆，裏麵還加了多層鋼筋網(wǎng)。

正是在一次次嚐試、失敗、再嚐試中，項目團隊聯合國內20多家單位，攻克了48項關鍵技術，拿到了國內外(wài)80多(duō)項(xiàng)發(fā)明(míng)專利，國際首創6台機載實驗裝置。

“過程太艱難了，但糖心免费视频最終還是成(chéng)功(gōng)了(le)！”9月29日的核心(xīn)設(shè)備(bèi)啟動儀式上，在接受記者采訪時，項目總工(gōng)藝(yì)師(shī)、浙江大學求是特聘教授蔣建群紅了眼眶，“大家努力了這麽多年，不過是階段性成果，糖心免费视频的科研之路還在繼續。”

這支團隊從不缺“離開”的選擇，也曾有人因身體原因而不得不停下腳步，但團隊成員從未失去信心，他們選擇堅持。

浙江大學長聘副教授孔德瓊自2017年從牛津大學歸國後，便持續投身於“造波、造嘯及重力流實驗裝置”的預研與建設工作。他表示，支撐團隊堅守至今的，是深植於內心的強烈求知欲，更有每一次試驗成功時，那份無可替代的自我價值實現感。

大裝置有大用處

“國慶假期？沒顧上休息。”項目高壓溫控深海裝置負責人、浙江大學研究員王路君假期裏依然與一台1米多高的圓柱形(xíng)裝(zhuāng)置(zhì)為(wèi)伴(bàn)——這(zhè)是(shì)他(tā)的(de)團(tuán)隊(duì)自(zì)研(yán)的(de)“深(shēn)海(hǎi)高(gāo)壓(yā)溫(wēn)控(kòng)實(shí)驗(yàn)裝(zhuāng)置(zhì)”，也(yě)是(shì)世(shì)界(jiè)領(lǐng)先(xiān)的(de)深(shēn)海(hǎi)模(mó)擬(nǐ)器(qì)。它(tā)可(kě)被(bèi)裝(zhuāng)入(rù)CHIEF1300的(de)吊(diào)籃(lán)，在(zài)200倍(bèi)常(cháng)重(zhòng)力(lì)條(tiáo)件(jiàn)下(xià)模(mó)擬(nǐ)2000米(mǐ)深(shēn)海(hǎi)的(de)極(jí)端(duān)環(huán)境(jìng)，探(tàn)索(suǒ)可(kě)燃(rán)冰(bīng)開(kāi)采的(de)新(xīn)方(fāng)法(fǎ)。

對(duì)普(pǔ)通(tōng)人(rén)來(lái)說(shuō)，可(kě)燃(rán)冰(bīng)或(huò)許(xǔ)隻(zhǐ)是(shì)新(xīn)聞(wén)裏(lǐ)的(de)“清(qīng)潔(jié)能(néng)源(yuán)”，但(dàn)在(zài)王(wáng)路君(jūn)眼(yǎn)裏(lǐ)，它(tā)關係(xì)著(zhe)未(wèi)來(lái)每(měi)一(yī)戶(hù)家(jiā)庭(tíng)的(de)能(néng)源(yuán)供(gōng)應(yīng)。它(tā)的(de)成(chéng)分(fēn)中(zhōng)，八(bā)成(chéng)是(shì)含(hán)甲(jiǎ)烷(wán)的(de)物(wù)質(zhì)，分(fēn)布(bù)在(zài)深(shēn)海(hǎi)海(hǎi)底(dǐ)，是(shì)應(yīng)對(duì)全球(qiú)能(néng)源(yuán)危(wēi)機(jī)的(de)理(lǐ)想(xiǎng)替(tì)代(dài)能(néng)源(yuán)。我(wǒ)國(guó)可(kě)燃(rán)冰(bīng)儲(chǔ)量(liàng)豐(fēng)富(fù)，可(kě)開(kāi)采難(nán)度(dù)極(jí)大(dà)——深(shēn)海的高壓低溫環境中，可燃冰一旦脫離原位就容易分解，稍有不慎就會引發海底滑坡，甚至釋放大量甲烷加劇溫室效應。

“現在有了超重力，能親手‘摸’到開采的規律。”王路君給出一組實驗數據：去年在ZJU400的預研裝置上，團隊用100倍重力加速度模擬2000米深海水壓和可燃冰儲層的力學場，1小時就還原了現場416天的可燃冰開采演變過程；他們還首次嚐試豎井壓裂技術，把產氣速率提升1倍。可他們並不滿足——距離海域商業化開采需要每天20萬立方米的效率，數據還差得遠。

啟用CHIEF1300，王路君團隊的目標更進一步：模擬海床下200米厚的水合物應力狀態，用分段壓裂開采技術“精準喚醒”可燃冰。“相當於在實驗室裏造一個‘微型海底’，每一步都能看到哪裏容易出問題，怎麽改進。”他說，“如果能突破這個閾值，我國的海洋能源開發就能再往前邁一大步，未來大家用的天然氣，可能就是來自深海的可燃冰。”

在杭州超重力場的實驗大廳裏，這樣的“民生關聯”還有很多：造嘯及重力流實驗裝置能模擬海嘯對近岸建構築物致災效應、海底重力流侵蝕海床與運移機理，為沿海城市防洪堤設計和海底地貌演變預測提供支撐；超重力振動台可複現9度烈度地震下的場地響應，驗證不同加固措施的抗震效果；高壓高溫裝置可以重現地球深部萬年尺度的地質演變，為深部地球科學研究提供關鍵約束……就連材料科學團隊，也在超重力下製備出強度提升45%的銅鋯合金，強度提高60%、塑性提高20%的銅鎳錫合金等，有望解決高鐵用高強導電材料、高強高彈性軸承材料等關鍵零部件的“卡脖子”問題，讓中國製造的高鐵走向全球。

未來，當這些在超重力環境下驗證的技術應用於實際，每個人都能受益：使用的能源更加清潔，居住的房屋更加安全，交通工具更有效率……

杭州超重力場更是一個開放的平台。預計其建成後，海內外用戶將超1000家。

“希望全球學者帶著好奇心來這裏嚐試，一起探索人類超重力領域的認知邊界。”陳雲敏說。

（本文作者 何冬健 唐駿垚）

延伸閱讀

我國部分代表性大科學裝置 

自20世紀80年代中國建設首個大科學裝置算起，目前全國已經布局建設、在建和運行的重大科技基礎設施項目總量超70個，數量上已處於世界領先梯隊，技術上也逐漸實現部分領跑。

讓糖心免费视频一起走進部分具有代表性的大科學裝置，看它們何以為“大”。

晨光下的高能同步輻射光源。 新華社發

北京正負電子對撞機

北京正負電子對撞機位於天安門廣場向西約15公裏，形似一隻羽毛球拍。這是中國第一台大科學裝置。它由北向南臥在地下，由一台長202米的直線加速器、一組共200米長的束流輸運線、一台周長240米的儲存環加速器、一座高6米重700噸的大型探測器“北京譜儀”和14個同步輻射實驗站等組成。

微觀粒子的性質不像宏觀物質一樣易於直接觀察。正負電子對撞機使正負電子產生對撞，以產生新的基本粒子。科學家通過對這些數據的處理和分析，進一步揭示微觀世界的奧秘。

1988年，北京正負電子對撞機宣布建造成功。憑借它產出的數據，中國科學家取得了一批在國際高能物理界有影響的重要研究成果。時至今日，北京正負電子對撞機的工作仍在繼續。

500米口徑球麵射電望遠鏡

500米口徑球麵射電望遠鏡位於貴州省平塘縣，占地麵積約25萬平方米，由主動反射麵係統、饋源支撐係統、測量與控製係統、接收機與終端係統及觀測基地等幾大部分構成。它是世界上最大、最靈敏的單口徑球麵射電望遠鏡，也被稱作“中國天眼”。

自2016年落成啟用至今，“中國天眼”幫助人類探索宇宙的起源、演化及其結構，為理解宇宙中的前沿科學問題提供了重要的觀測數據，也為國際科學界交流與合作搭建了重要平台。

2017年10月，“中國天眼”宣布發現首批新脈衝星，這是中國人首次利用自己獨立研製的射電望遠鏡發現脈衝星。目前，“中國天眼”已發現的脈衝星數量達到1152顆，這一數量早已遠超同一時期國際上其他望遠鏡發現脈衝星數量的總和。

高海拔宇宙線觀測站

高海拔宇宙線觀測站，也被大家叫作“拉索”。它是目前世界上海拔最高、規模最大、靈敏度最強的伽馬射線探測裝置，位於四川省稻城縣海拔4410米的海子山上，占地麵積約1.36平方公裏，像一個巨大的“圓盤”鋪展在大地上。

2023年，“拉索”順(shùn)利(lì)通(tōng)過(guò)國(guó)家(jiā)驗(yàn)收(shōu)，正(zhèng)式(shì)投(tóu)入(rù)運(yùn)行(xíng)。它(tā)的(de)任(rèn)務(wu)是(shì)接(jiē)住(zhù)從(cóng)外(wài)太空“灑”向地球的宇宙(zhòu)射(shè)線，讓科學家借此發現宇宙深處的未知世界，破解宇宙射線起源的謎題。

空間環境地麵模擬裝置

空(kōng)間(jiān)環(huán)境(jìng)地(de)麵(miàn)模(mó)擬(nǐ)裝(zhuāng)置(zhì)位(wèi)於(yú)黑(hēi)龍(lóng)江(jiāng)省(shěng)哈(hā)爾(ěr)濱(bīn)市(shì)，坐(zuò)落(luò)於(yú)一(yī)片(piàn)麵(miàn)積(jī)接(jiē)近(jìn)50個(gè)足(zú)球(qiú)場(chǎng)大(dà)小(xiǎo)的(de)區(qū)域。這(zhè)是(shì)我(wǒ)國(guó)航天領域首個大科學裝置，於2024年通過國家驗(yàn)收(shōu)。

該(gāi)裝(zhuāng)置能夠綜合(hé)模(mó)擬(nǐ)真空、輻照、弱磁(cí)等(děng)九大類空間環境因素，揭示其對材料、器件、係統及生命體的影響規律，為航天器的高可靠與長壽命運行、航天員長期太空駐留等提供關鍵研究支撐。這意味著未來許多需要抵達太空才能進行的實驗，在地(de)麵(miàn)上就能完成。

作為一個麵向全球開放的科研共享平台，截至目前，空間環境地麵模擬裝置已累計為國內外科研團隊提供超過6萬小時的實驗服務。

高能同步輻射光源

高亮度的特性決定了同步輻射光源可以用來做許多常規光源所無法進行的工作。

北京懷柔的雁棲湖畔，正在建設的高能同步輻射光源是世界上設計亮度最高的第四代同步輻射光源，建成後將發出地球上“最亮的光”，可提供納米探針、非彈散射、相幹衍射、超高時間分辨等多種前沿實驗方法。

這也是中國第一台高能同步輻射光源，結合能量高達300千電子伏特的高能X射線，助力實時、原位、實際工況的物質微觀結構及其演變機製解析，開展更靈敏、更精細、更快速、更複雜和更接近實際工作環境的科學研究。項目預計在2025年底完成一期工程。

（本文作者 嚴粒粒 ）