文/王湛

最近，浙江大學(xué)牽頭建設(shè)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——超重力離心模擬與實(shí)驗(yàn)裝置（英文簡(jiǎn)稱(chēng)CHIEF）項(xiàng)目可行性研究報(bào)告獲得了國(guó)家發(fā)展改革委批復(fù)。這也是浙江省建設(shè)的首個(gè)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。該項(xiàng)目選址杭州余杭區(qū)未來(lái)科技城，建設(shè)時(shí)間為5年，占地約89畝，總投入將超過(guò)20億人民幣。

什么是超重力離心模擬與實(shí)驗(yàn)裝置？它有什么作用？原來(lái)，這套高科技設(shè)備具有“壓縮時(shí)空”的神奇功能，它能讓研究人員“跨越時(shí)間”，用一天模擬一千年，還能在實(shí)驗(yàn)室里“跑高鐵”！

什么是超重力，能壓縮時(shí)空，一眼萬(wàn)年

“浙大的這個(gè)CHIEF，是‘國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施’，是指大型復(fù)雜的科學(xué)研究裝置或系統(tǒng)，是能推動(dòng)國(guó)家科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的‘國(guó)之重器’。和CHIEF同樣級(jí)別的裝置，還有北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、上海光源、天眼FAST射電望遠(yuǎn)鏡等等?！标愒泼粼菏拷榻B。

CHIEF項(xiàng)目是“十三五”時(shí)期優(yōu)先建設(shè)的10項(xiàng)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目之一，也是在浙江省建設(shè)的首個(gè)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。

朱斌教授是該項(xiàng)目的副總工程師，他向記者介紹了和超重力相關(guān)的知識(shí)。地球表面的任何物體都會(huì)受到地球重力的作用，人能夠站立在地面上，物體會(huì)下落，都是重力的原因?？茖W(xué)家們把地球上的重力叫做常重力，用1g（重力單位）來(lái)表示，大于1個(gè)g的就叫超重力。比如航天員乘坐飛船返回地球時(shí)，會(huì)受到4個(gè)g的超重力，相當(dāng)于承受了4個(gè)自己的重量。

在超重力環(huán)境下，會(huì)發(fā)生一些神奇效應(yīng)。因?yàn)檫@些神奇效應(yīng)，科學(xué)家們可以完成很多在常重力環(huán)境中難以完成的實(shí)驗(yàn)。

首先，超重具有“縮尺”作用。朱斌打了一個(gè)比方，“舉個(gè)例子，想知道100層樓高的房子對(duì)地基的影響，那么我們只需要造1層樓高的模型，將它放在100個(gè)g的超重力作用下，這時(shí)，1層樓對(duì)地基的影響效果，就相當(dāng)于常重力下100層樓對(duì)地基影響的效果。這就是縮尺作用?！?/p>

超重力離心機(jī)和主要機(jī)載裝置示意圖

超重力場(chǎng)中還存在“縮時(shí)”效應(yīng)，科學(xué)家們可以利用這點(diǎn)極大地縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間。陳云敏院士給記者舉了一個(gè)例子。如果在超重力離心機(jī)上搭載土體污染物遷移實(shí)驗(yàn)裝置，就可以模擬污染物在地下大尺度、長(zhǎng)歷時(shí)的運(yùn)移。如果在現(xiàn)實(shí)中研究污染物的遷移，需要花費(fèi)幾千年，但在超重力場(chǎng)中模擬實(shí)驗(yàn)，可能只需要一天的時(shí)間，可謂“山中方一日，世上已千年”。

超重力有什么用，可以在實(shí)驗(yàn)室里“跑高鐵”

超重力的“縮時(shí)”和“縮尺”等效應(yīng)，可以讓研究者做很多現(xiàn)實(shí)中無(wú)法操作的實(shí)驗(yàn)。而想要產(chǎn)生一個(gè)超重力場(chǎng)，就需要超重力離心機(jī)。

CHIEF就是這樣一個(gè)超重力裝置。在CHIEF預(yù)研階段，浙大團(tuán)隊(duì)就利用超重力，做出了不少成果，比如“高速鐵路列車(chē)運(yùn)行動(dòng)力效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)”。

這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了控制高鐵在我國(guó)東南沿海深厚軟土地區(qū)運(yùn)行時(shí)的沉降。

怎么做實(shí)驗(yàn)?zāi)?？在現(xiàn)實(shí)中，不可能真的在東南沿海修一條軌道、造一輛高鐵去研究，這需要花費(fèi)巨大的金錢(qián)和時(shí)間成本。但是利用超重力環(huán)境中的縮尺、縮時(shí)等效應(yīng)，便可以用一個(gè)小的模型來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)中高鐵的運(yùn)行，來(lái)研究和驗(yàn)證各種方案。

CHIEF預(yù)研實(shí)驗(yàn)就提供了這樣的條件。這個(gè)“在實(shí)驗(yàn)室里跑高鐵”的項(xiàng)目后來(lái)入選了2017年度“中國(guó)高等學(xué)校十大科技進(jìn)展”。陳云敏院士說(shuō)，“CHIEF研發(fā)出來(lái)可極大拓展我們的試驗(yàn)研究能力，做原來(lái)沒(méi)法做的試驗(yàn)?！?/p>

該項(xiàng)目建成后，將填補(bǔ)我國(guó)超大容量超重力裝置的空白，成為世界領(lǐng)先、應(yīng)用范圍最廣的超重力多學(xué)科綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

目前，世界上離心機(jī)最大容量為1200g·t（重力加速度×噸），而CHIEF容量將會(huì)達(dá)到1900g·t。它是一個(gè)構(gòu)建從瞬態(tài)到萬(wàn)年時(shí)間尺度、從原子級(jí)到千米級(jí)空間尺度、從常溫常壓到高溫高壓等多相介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境的“大家伙”。

那么，CHIEF到底長(zhǎng)什么樣子？它是怎樣產(chǎn)生超重力場(chǎng)的呢？此前，浙大已經(jīng)建成一個(gè)“迷你版”裝置ZJU400，它在浙大建工實(shí)驗(yàn)大廳的地下室。這個(gè)圓形地下室占地約50平方米，里面有且僅有一個(gè)天平狀的機(jī)器，并占據(jù)了整個(gè)房間。陳云敏院士介紹，ZJU400的“手臂”有4.5米長(zhǎng)，兩個(gè)轉(zhuǎn)軸上各搭載了一個(gè)邊長(zhǎng)1米的正方體實(shí)驗(yàn)艙，實(shí)驗(yàn)艙的最大負(fù)荷有3噸。在它轉(zhuǎn)動(dòng)到一定速度后，實(shí)驗(yàn)艙在離心力的作用下，艙內(nèi)的超重力場(chǎng)就生成了。這是一臺(tái)離心加速度可達(dá)到150倍重力加速度的離心機(jī)。

離心機(jī)ZJU400，迷你版CHIEF

未來(lái)的CHIEF的轉(zhuǎn)臂半徑可達(dá)9m，實(shí)驗(yàn)艙是3m，最大負(fù)荷可達(dá)32噸，是它的10倍。ZJU400可以說(shuō)是一個(gè)微型CHIEF。

為什么要把機(jī)器放在地下室？這主要是出于安全考慮，“因?yàn)殡x心機(jī)上面搭載的吊籃會(huì)高速旋轉(zhuǎn)?！薄安贿^(guò)，在高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)境中，人是不能在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)操作實(shí)驗(yàn)的?！标愒泼粼菏拷忉?zhuān)瑢?shí)驗(yàn)艙內(nèi)有機(jī)械手臂，它們所有的動(dòng)作都是在中央控制臺(tái)的控制下進(jìn)行的。在這個(gè)地下室里面安裝了很多傳感器，能把檢測(cè)到的信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂剖摇?/p>

既然已經(jīng)有迷你版，為什么還要建設(shè)CHIEF這個(gè)如此龐大的超重力離心機(jī)呢？“日常生活中，我們用的洗衣機(jī)也有很大的離心力，在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)里使用的離心機(jī)設(shè)備的離心力更大，但是它們都有一個(gè)缺點(diǎn)：所能負(fù)荷的東西少，抗不平衡能力差。”陳云敏院士說(shuō)，“所以我們研究的核心就是在高速的離心加速度上增加它所能承擔(dān)的重量?！?/p>

早在2018年1月份，CHIEF項(xiàng)目建議書(shū)就獲得了國(guó)家發(fā)展改革委的批復(fù)。在這一年多里，浙大的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)做的是“找茬”的預(yù)研工作，在正式開(kāi)工之前，把可能碰到的技術(shù)難題都提出來(lái)。

“如果把超重力離心機(jī)主機(jī)比作一個(gè)挑著扁擔(dān)在轉(zhuǎn)圈的人，那么如何讓他不‘暈頭轉(zhuǎn)向’，就是在預(yù)研階段要解決的難題?！标愒泼粼菏空f(shuō)。

（資料來(lái)源：《錢(qián)江晚報(bào)》；浙江大學(xué)網(wǎng)站）