超越时空的超重力尝试

南朝梁任昉的《述异记》里，有这样一个故事，王质在石室山中砍树，看到童子在下棋，看得入迷了，等到他离开的时候才发现斧柄都烂掉了。原来他在山上误入了仙境，在山上过了一天，世上已经过了千年。沧海桑田，瞬息万变，在当下流行的影视剧里，演变成了男女主人公回到古代的时空穿越。

在现实的生活里，我们也许没法穿越时空笑看沧海桑田，不过在实验室里，模拟一眼万年、一步千里的时空压缩倒并非不可能。浙江大学建筑工程学院陈云敏院士牵头的国家重大科技基础设施项目——超重力离心模拟与实验装置，就是一个构建从瞬态到万年时间尺度、从原子级到千米级空间尺度、从常温常压到高温高压等多相介质运动的实验环境的“大家伙”。

这个总投入超20亿元人民币的设施是“十三五”时期优先建设的10项国家重大科技基础设施项目之一，也是在浙江省建设的首个国家重大科技基础设施项目。

    山中一日，世上千年

此次浙江大学牵头建设的超重力离心模拟与实验装置，是综合集成超重力离心机与力学激励、高压、高温等机载装置，将超重力场与极端环境叠加一体的大型复杂科学实验设施。团队用设施英文名称（Centrifugal Hypergravity and Interdisciplinary Experiment Facility）的首字母给它取了个名字，叫CHIEF，寓意着该项目成为超重力离心模拟与实验装置方面的翘楚，引领全球科学家深耕重大基础设施建设、深地深海资源开发与高性能材料研发。

设施主要建设内容包括超重力离心机主机、超重力实验舱、超重力试验保障系统和配套设施。其中，两台超重力离心机主机，最大容量1900g·t，最大离心加速度1500g，最大负载32t；另外还有边坡与高坝、岩土地震工程、深海工程、深地工程与环境、地质过程、材料制备共六座超重力实验舱。项目建设周期为5年，建成后，将填补我国超大容量超重力装置的空白，成为世界领先、应用范围最广的超重力多学科综合实验平台。

“CHIEF可以为研究岩土体和地球深部物质的时空演变、加速物质相分离提供必不可少的实验手段，为国家重大科技任务开展、重大工程新技术研发和验证、物质前沿科学发展，提供先进的试验平台和基础条件支撑，显著提升我国相关多学科领域的研究水平和国际竞争力。”陈云敏院士打了个比方，如果在超重力离心机上搭载污染物土中迁移实验装置，我们就可以看到污染物在地下大尺度、长历时的运移，可谓“山中方一日，世上已千年”。

总体而言，CHIEF将超重力离心机能力从国内400g·t级、国际最大1200g·t突破至1900g·t，具备单次实验再现岩土体千米尺度演变与灾变、污染物万年历时迁移及获取千种材料成分的实验能力。

    “找茬”挖出48个问题

CHIEF的离心机容量世界最大，18台机载装置中有6台属于世界首创、12台技术指标国际领先，因此要做成这样一个“大家伙”，肯定困难重重，尤其是涉及48项关键技术。

陈云敏院士要求大家在正式开工之前把可能碰到的技术难题都提出来。过去的这一年，团队所做的正是这样一个有点类似“找茬”的预研工作。到现在为止，他们挖出了建设过程中会遇到的48项关键技术，也论证了项目从原理上是可行的。

很多人经常问陈云敏院士，项目何时开工，何时建成。他总是笑而不语。所谓内行看门道，业界有句话说，原理不行的技术上肯定不行，原理行的技术上不一定行，所以关键技术难题要先从科学原理上解决，并在此基础上通过试验证明技术上是可行的。

一方面要国际领先，另一方面又要技术成熟。这个难度用陈云敏院士自己的话说，“如果这个阶段没有发现问题，就会给今后的制造过程留下隐患，装置的目的可能就实现不了。只要有一个验收指标没有达到，整个项目就不能通过验收，想要调整都不可能。”确实，发现问题比解决问题更加重要，也更难。陈云敏院士让团队所有成员立下军令状，“谁没发现问题，谁负责。”

在超重力离心机主机的预研过程中，他们就发现了一个问题。

转轴下面有电机，带动转臂高速转动，产生离心力。但是在旋转的过程中，当达到临界转速时，系统会发生共振，产生的晃动会降低转速，可能就无法达到设计的极限值。这有点类似小时候玩的陀螺，一旦产生晃动后，旋转速度就会降低。陈云敏院士打了个比方，超重力离心机主机就好像是一个挑着扁担在转圈的人，如何让他不“晕头转向”，就是在预研阶段要解决的难题。目前团队已经通过现有的ZJU400超重力离心机验证了这个问题。

    边预研边出成果

这一年来，团队不断地小试中试，提出难点问题，设计解决方案，验证方法和参数，“这是做工程的基本原则，用在工程上的设计方法和算法要通过试验验证过，才能使用。”

在预研的过程中，陈云敏团队做出了许多研究成果。其中的一个项目“高速铁路列车运行动力效应试验系统”入选2017年度“中国高等学校十大科技进展”。这个“在实验室里跑高铁”的项目，在可控条件下研究高速列车运行引起的线路路基动力效应，具有重要科学意义和工程价值。

高铁轮子传过去的荷载首先给轨道，再通过轨枕传给路面。在我国东南沿海深厚软土地区，高铁地基需要打入很深的桩才能控制住高铁的沉降，这个桩及上面的路基该怎么设计才能控制沉降呢？陈云敏院士团队的边学成教授在超重力大科学装置中就是专门负责超重力高铁加载装置的研发。他就想到在轨枕上直接布置加力的装置。这个装置将列车运行荷载转化为作用于一系列轨枕上的垂向动荷载，通过精确控制相邻激振器的加载相位差实现列车轮轴高速移动对路基的加载。

整个试验系统由列车运行加载激振器阵列、加载控制系统、全比尺线路模型和测试系统组成。有了这个装置，列车行驶就像在轨枕上弹钢琴，每个轨枕就是钢琴的键，压得越快代表轮子移动越快，从而实现高速移动荷载的加载。他们的实验结果显示与实际荷载基本一致。

“CHIEF研发出来可极大拓展我们的试验研究能力，做原来没法做的试验。当然难度也很高，需要我们多学科交叉共同发现问题解决问题。”边学成说。

项目还没正式开建，就已经成果迭出，这听上去很新鲜。陈云敏院士说，超重力的环境是全新的，可以让大家脑洞大开，不受以往教科书知识的束缚，“这样一个极端环境促使大家带着问题去思考，老师和学生的思维就非常活跃。”

    好奇心驱动下的创新研究

大科学装置的研制，处处充满了创新，不像标准化仪器那样有据可依，一切都需要重新摸索。

陈云敏院士说，当初提出这个想法，也是出于对科学的好奇。“我是一个好奇心比较足的人。在浙大的学习时光，让我感悟到自然和科学美，激起了我出于好奇心而产生的求知欲。科学家最大的内动力就是好奇心，超重力离心模拟与实验装置刚好可以验证我对于这方面的一些疑问。”

在团队成员眼中，CHIEF就是一个科学被好奇心驱动的地方。为了同样的好奇心，不论是院士，还是青年科研人员，都常常碰撞交流，一讨论就到凌晨两三点钟。“团队里的几位院士，张泽、杨树锋、杨华勇，每一次论证会都抽出时间参加，讨论起来都是非常地投入。”

以问题为导向，是团队的一大研究特色。在这里，不同学科和领域都是基于超重力增大多相介质体积力和加快相分离的基本科学原理而汇聚到了一起，使得项目具有促进小学科之间、相邻学科之间、甚至不同大学科之间的相互交叉和融合的天然优势，为产生新思想、新方法、开辟新领域和建立新学科创造良好的环境。

在团队招聘时，陈云敏院士必问的一个话题就是“是否对科学有兴趣”，在他看来，兴趣和好奇心是激发研究热情、撬动地球杠杆的支点。他们也确实招到了一批名牌大学来的年轻人，多学科交叉的工程学科给了他们很大的平台。

“放手支持他们去创新，完全可以做到一流。”陈云敏院士很有信心。

最近，还有一个方案已经列入了陈云敏院士的工作计划。他准备建立一个研究院，在培养学生的同时，把超重力基础研究中的科学新发现转变成技术，然后产业化。

《中国教育报》2019年04月15日第7版