□ 唐賢平　宋 瓊

會當凌絕頂
——中物院總體所科學試驗用離心機研制技術(shù)發(fā)展綜述

□ 唐賢平宋 瓊

從20世紀60年代探索研制核武器離心試驗設(shè)備開始，中物院總體工程研究所的離心機研制歷程已走過50余載，伴隨著我國核武器的研制歷程而不斷發(fā)展。

中國工程物理研究院總體工程研究所作為中物院的龍頭單位，負責戰(zhàn)略核武器戰(zhàn)斗部和高新技術(shù)武器的總體設(shè)計、數(shù)值模擬、環(huán)境試驗的研究工作。主要研究領(lǐng)域包括：武器系統(tǒng)工程與應(yīng)用、武器工程力學與材料應(yīng)用、環(huán)境試驗與測控技術(shù)、先進大型科學試驗裝備研制等。

總體工程研究所依托工程設(shè)計、數(shù)值模擬、環(huán)境試驗三大支撐技術(shù)，積極開發(fā)大型多功能離心機研制技術(shù)，確立了國內(nèi)大型多功能離心機研制方面的領(lǐng)先地位。至今已研制交付各類離心機四十余臺，其中多臺離心機性能指標處于國際領(lǐng)先水平：最大模擬加速度達到40000g，最大整機容量已達到1000g·t，最大加速度增長率達到35g/s，持續(xù)加速度模擬最高精度達到10-6量級，加速度模擬自由度達到三個，實現(xiàn)了加速度、振動、溫度、氣動復(fù)合。這些裝置為我國多個型號戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)武器及戰(zhàn)機部組件檢測、定型提供了試驗平臺，為我國多個重大水利、交通建設(shè)工程提供了工程設(shè)計驗證平臺，對推動我國國防科技事業(yè)和國民經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮了巨大作用。

勇于擔當不辱使命

在我國核武器設(shè)計之初，環(huán)境試驗研究工作也同步開始。20世紀60年代初，我國工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，既無離心試驗設(shè)備研制經(jīng)驗及技術(shù)積累，也無國外技術(shù)可以借鑒。中物院總體所人邊學習、邊試制，終于成功研制了可以滿足核武器進行離心試驗的科研設(shè)備，為“兩彈”成功爆炸作出了積極貢獻。60年代中期，在相關(guān)技術(shù)單位的支持之下，總體所依靠不懈努力成功研制出亞洲最大的1號離心機（10.8m半徑），并開展了多個戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)武器以及戰(zhàn)機部組件檢測及定型試驗。90年代，總體所研制出了技術(shù)性能國內(nèi)領(lǐng)先的離心—氣動—溫度復(fù)合型2號離心機。

至此，中物院總體的大型例行離心機研制完成技術(shù)積累，達到國內(nèi)領(lǐng)先水平，不僅可以滿足我國核武器研制需要，而且為航空、航天、兵器等軍工領(lǐng)域眾多新武器研制開展離心試驗提供了科研平臺。

抓住機遇脫穎而出

土工離心機是土力學研究中的重要設(shè)備，為土工離心模型試驗提供了重要的研究手段，廣泛用于堤壩、隧道、建筑物基礎(chǔ)等的工程應(yīng)用研究，在探索各種自然現(xiàn)象的機理研究方面也有重要作用。由于大型交通、水利工程建設(shè)需要，20世紀70年代世界各地興起土工離心機的建設(shè)熱潮。我國80年代開始研制土工離心機，并致力于發(fā)展我國自己的離心模擬技術(shù)。1990年，中物院體所研制出了第一臺土工離心機——25g.t土工離心機，并交付給原成都科技大學。1998年，總體所通過競標獲得了西南交通大學100g.t土工離心機研制項目，這是總體工程研究所研制的第一臺大型土工離心機。

2003年，同濟大學要建設(shè)全國第一臺大型復(fù)合離心機時，總體所在激烈的較量中成功中標。這一臺復(fù)合離心機容量大、功能全、技術(shù)含量非常高，有許多技術(shù)難題需要解決?？傮w所成立技術(shù)攻關(guān)小組，組織集體攻關(guān)，經(jīng)過三年多的不懈努力，攻克一道道技術(shù)難題，終于在2006年將國內(nèi)唯一的大型復(fù)合離心機交付同濟大學。工程建成后被稱為中國離心機研制的里程碑，總體所確立了國內(nèi)離心機研制的領(lǐng)先地位，此后又承擔了武漢長江水科院、長沙理工大學、浙江大學、成都理工大學、航天一院等單位的離心機工程。

厚積累全面發(fā)展

中物院總體工程研究所還積極開發(fā)精密離心機和載人離心機，并確立了整個行業(yè)的龍頭地位。例行試驗離心機是航空航天領(lǐng)域不可或缺的環(huán)境模擬試驗設(shè)備之一，隨著大工業(yè)技術(shù)與試驗技術(shù)的發(fā)展，例行離心機向著特大型、高技術(shù)復(fù)合功能方向發(fā)展，試驗產(chǎn)品從元器件級、部件級向整體級過渡，可滿足離心-振動、離心-氣動-溫度等復(fù)合環(huán)境試驗要求。中物院總體所離心機研制團隊不斷創(chuàng)新技術(shù)，成功研制了一系列例行試驗離心機，有效半徑6m，容量100g.t離心機、有效半徑7.5m，容量400g. t的復(fù)合離心機、以及有效半徑8m，快加速能力達到10g/s的快加速離心機正在航空、航天等軍工集團服役，一批國家重要型號武器都在這些離心機上開展了大量的部件級考核與驗證試驗。目前正在研制的13m有效半徑、600g.t例行離心機，已經(jīng)完成主機的工程設(shè)計，預(yù)計將在3年內(nèi)完成全部的研制與調(diào)試工作，屆時將成為世界級的特大規(guī)模離心機。

在土工離心機研制領(lǐng)域，總體所2013年9月向成都理工大學交付了TLJ-500型土工離心機項目，這是國內(nèi)目前容量最大、功能最全的大型土工離心試驗設(shè)備。其離心機振動系統(tǒng)是目前國際上性能指標最先進的離心機機載振動臺之一，系統(tǒng)能夠在100g離心場下開展振動試驗，可模擬原型模型體積達到60m3，地震波面積失真度：小于等于5%。該離心機的研制成功不僅填補了國內(nèi)大型土工試驗離心機的空白，也標志著我國大型離心機的研制技術(shù)邁上了新的臺階。

在精密離心機領(lǐng)域，20世紀90年代，中物院總體所離心機研制團隊曾為中電26所等單位研制了多臺加速度相對不確定度為1×10-3的精密離心機。2009年，中物院總體所獲得了為本院電子工程研究所研制JML-100J高精度精密離心機項目，最大加速度100g，最大負載達10kg，加速度不確定度為10—5量級。2014年，產(chǎn)品順利通過驗收交付使用。

2011年，總體所啟動了“高精度慣性儀表校準檢測裝置研制及應(yīng)用”項目，列入首批國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項?？傮w所攻關(guān)團隊自主設(shè)計完成了雙向大承載力高精度空氣軸承、精密電機、精密測量系統(tǒng)、微震動隔震系統(tǒng)等核心部件，先后申請專利25項，推動了國內(nèi)加工制造、新材料等領(lǐng)域的多項技術(shù)進步。目前，該離心機已達到最高載荷10kg、相對標準不確定度10-6、穩(wěn)態(tài)線加速度100g等領(lǐng)先指標。它的研制成功填補了我國1g 100g量程范圍內(nèi)，加速度相對不確定度達到10-6量級的精密離心機空白。

載人離心機是目前唯一能在地面逼真模擬高性能戰(zhàn)機各種機動動作，可以有效提升飛行員加速度耐受能力、減少飛行事故、提升飛行員戰(zhàn)斗力的有效途徑，我國空軍1999年啟動了高性能載人離心機的建設(shè)工作。2005年，時任中物院總體所所長、現(xiàn)任中物院副院長何穎波要求離心機研制團隊迅即開展載人離心機關(guān)鍵技術(shù)研究。2013年，中物院高性能載人離心機樣機研制項目立項，樣機的設(shè)計瞄準滿足三、四代戰(zhàn)機飛行員訓(xùn)練的需求，除了各基礎(chǔ)指標能涵蓋戰(zhàn)機性能指標外，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)時間設(shè)計為80ms，優(yōu)于飛行模擬器相關(guān)國軍標規(guī)定的150ms要求，與世界頂尖水平---美國ETC公司最新產(chǎn)品指標相近。

團隊在高動態(tài)離心機研制經(jīng)驗基礎(chǔ)上，進一步發(fā)展了大型旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、離心場下多自由度運動控制、飛行載荷轉(zhuǎn)換等多項技術(shù)，完成了樣機設(shè)計。目前系統(tǒng)調(diào)試已進入尾聲，樣機主要指標達到國際先進水平，預(yù)計2015年底完成飛行員上機測試。高性能載人離心機的制成功打破了國外技術(shù)壟斷，填補了我國航空醫(yī)學大型科研訓(xùn)練裝備的空白，能有效滿足我國戰(zhàn)機飛行訓(xùn)練的迫切需要。

目前，總體所承擔的離心機設(shè)計開發(fā)項目有國內(nèi)指標最先進的振動復(fù)合例行試驗機、國內(nèi)精度最高的計量用精密離心機、國內(nèi)指標最先進的動態(tài)慣性載荷模擬試驗系統(tǒng)、國內(nèi)容量最大的土工離心機，已經(jīng)形成了全面的離心機研制能力。

礪鋒芒百煉成鋼

中物院總體工程研究所的離心機研制歷程已走過50余載，如今，在離心機裝備總體（系統(tǒng)）設(shè)計技術(shù)、高離心場下多功能復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計和模擬分析技術(shù)、大功率快加速拖動控制技術(shù)、多軸精密運動控制技術(shù)和高離心場下高精度檢測技術(shù)等方面的技術(shù)水平達到國內(nèi)領(lǐng)先、國際一流。

勇于創(chuàng)新支撐著團隊不斷前行。

團隊針對高動態(tài)離心機、振動離心機等的設(shè)計技術(shù)進行了大膽創(chuàng)新探索，如在高動態(tài)離心機上使用了新的轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)形式、新的機械加工工藝；在振動離心機上，采用了新材料以及新的減震結(jié)構(gòu)方案；在綜合環(huán)境試驗離心機上，采用了新的設(shè)計方法和新的測試靜態(tài)力矩平衡結(jié)構(gòu)。這些新技術(shù)、新方法、新工藝、新材料的應(yīng)用，大大提高了離心機的研制水平。

敢于突破是團隊屹立業(yè)界的法寶。每一臺新型離心機的研制對團隊來說都是一次新的挑戰(zhàn)。成都理工大學離心機上一維激振系統(tǒng)項目，團隊通過創(chuàng)造性的分析與設(shè)計，形成了一套全新的技術(shù)方案，擊敗了歐美日等國外競爭對手，成功中標。在“JML-100J計量用高精度精密離心機”項目中，成功替代進口。

面向未來使團隊始終保持著國內(nèi)的行業(yè)領(lǐng)路者。團隊與浙江大學等單位聯(lián)合申報了“十二五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目，積極籌劃1000g.t容量以上的巨型離心機、離心場下三維地震模擬裝置和動態(tài)飛行模擬器的技術(shù)攻關(guān)工作。為適應(yīng)國家海洋戰(zhàn)略發(fā)展需要，2012年，中物院總體所聯(lián)合清華大學申報了世界首創(chuàng)的“海工離心機”，容量達到3000g.t，同時具備波流、浪振等復(fù)合試驗功能。

歷經(jīng)數(shù)十個離心機項目研制的錘煉，一批領(lǐng)軍人才和科研骨干茁壯成長?，F(xiàn)任中物院副院長何穎波研究員，曾任中物院總體工程研究所所長，是工程力學專家，也是總體所離心機事業(yè)和軍民融合事業(yè)的重要推動者。當總體所離心機事業(yè)面臨困境之時，他果斷決定研制復(fù)合離心機系統(tǒng)，填補國內(nèi)空白，確立了總體所在土工離心機領(lǐng)域的主導(dǎo)地位；當離心機事業(yè)步入快車道之時，他提出了利用多學科專業(yè)優(yōu)勢，解決國內(nèi)高端裝備自主可控的發(fā)展思路，并決定了拓展載人離心機領(lǐng)域，為離心機技術(shù)的發(fā)展開辟了更加廣闊的天地?？傮w所離心機領(lǐng)域高級專家黎啟勝研究員，先后擔任所副總工程師、所黨委書記等職務(wù)。他長期從事離心機技術(shù)研究及工程研制，是家重大科學儀器項目“高精度慣性儀表校準檢測裝置研制”的首席專家，是數(shù)十項國家、院所級裝備研制項目的負責人，是國內(nèi)離心機行業(yè)的知名專家。

目前，中物院總體所已形成一支以黎啟勝為領(lǐng)軍人物的離心機研制團隊，有研究員9人，高級工程師32人，其中博士15人、碩士56人。這支團隊已經(jīng)成長為中國離心機研制領(lǐng)域的核心力量。

謀劃長遠引領(lǐng)未來

目前，總體所承擔的離心機設(shè)計開發(fā)項目有12項，合同金額1.6億元，論證中的項目有9個，預(yù)計研制經(jīng)費達7億元。

隨著國家實力的提升，國家安全需求提升到新高度，對離心機也提出了更多更高的需求。巨型土工離心機作為300米以上高壩安全性、千米級深地深海工程、百年跨度地下環(huán)境污染、平方公里尺度城市地震安全、千米尺度飛行器撞擊及高能爆炸研究方面重要的科研平臺，已經(jīng)列入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃；載人離心機是高機動戰(zhàn)機飛行員訓(xùn)練的必備裝備，目前我國僅有一套還是十年前引進的，載人離心機國產(chǎn)化是建設(shè)強大空軍必然要求。同時，總體工程研究所積極開展載人離心機的軍貿(mào)工作，目前已有國外軍方表達了采購意向。團隊將瞄準離心式動態(tài)飛行模擬器等關(guān)系國家安全的重大裝備，聯(lián)合國內(nèi)優(yōu)勢單位共同開展需求識別、可行性論證以及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，完成理論提升、技術(shù)突破。比如，利用成都“工程科學創(chuàng)新與研發(fā)中心”的離心式動態(tài)飛行模擬器樣機，聯(lián)合空軍相關(guān)單位，共同打造“空天醫(yī)學工程聯(lián)合試驗室”；著力啟動土工巨型離心機的立項申請工作，積極推動海工巨型離心機的立項申請工作。

會當凌絕頂，一覽眾山小。中物院總體所離心機研制團隊將始終秉承“鑄國防基石、做民族脊梁”的核心價值觀，充分依托綜合技術(shù)優(yōu)勢，充分調(diào)動和發(fā)揮團隊的集體智慧，以推動我國離心機試驗裝置研發(fā)技術(shù)趕上和超過世界先進水平為己任，努力建設(shè)成國際一流水平的科學試驗用離心機研究基地、離心機技術(shù)應(yīng)用基地和人才培養(yǎng)基地，成為復(fù)雜環(huán)境模擬解決方案的提供單位，離心機應(yīng)用相關(guān)新技術(shù)、新方法驗證的檢測基地，不斷滿足我國國防科技事業(yè)發(fā)展和國民經(jīng)濟建設(shè)的需要。