浙江首个国家大科学装置杭州超重力场启动

在杭州城西科创大走廊腹地地下15米，离心机粗长的旋臂超高速运转，位于末端的机载实验舱承受着300个g（重力加速度）的惊人加速度，舱内模拟的重力场正以“一眼万年”的速度加速物质运动变化。

昨日，国家重大科技基础设施——超重力离心模拟与实验装置（英文简称“CHIEF”，以下简称“杭州超重力场”）在杭州启动首台离心机主机。该设施将营造超过地球重力千百倍的“超重力场”，为一系列研究提供关键支撑。

杭州超重力场是与贵州“天眼”、上海光源、合肥“人造太阳”等大科学装置同一量级的国之重器，也是浙江省建设的首个国家大科学装置。该套装置为我国自主研发，由浙江大学牵头建设，包括三台离心机主机，以及边坡与高坝、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6座实验舱的18台机载装置。

未来，杭州超重力场将作为公共实验平台开放给全球科学家使用。

史上容量之最

什么是超重力？

科学家通常将地球表面的重力加速度9.8m/s2称为常重力，小于它时称为微重力，超过时称为超重力。

过山车俯冲瞬间面部肌肉被拉得下坠，飞机剧烈爬升时产生的压迫感，汽车瞬间启动产生的“推背感”……超重力体验不仅广泛存在于生活中，其在科学研究中更有着突破现有认知边界的价值。

超重力离心机正是通过高速旋转产生的离心力，模拟出百倍、千倍于地球重力的“人造重力场”。

“超重力场中，科研人员在实验室中能以很小的尺寸、极短的时间，再现真实世界中的重大灾难、地质演化、极端环境。”杭州超重力场首席科学家、中国科学院院士、浙江大学教授陈云敏介绍。例如，在100倍常重力的实验中，100米的真实物体可以“缩尺”至1米，100年的污染物迁移过程可以“缩时”至3.65天，真正实现“一眼万年、一步千里”的时空压缩。

基于超重力环境的实验装置是重大工程防灾减灾、深地深海资源开发、地下空间利用、新材料研制和地质过程研究等领域重要的科研利器。

与正在安装的CHIEF1900和CHIEF1500相比，此次开机的CHIEF1300的容量相对较小，但已是全球之最。作为一台承前启后的离心机，CHIEF1300与紫金港校区建成运行的ZJU400相比，实验能力大幅度提升：最大离心加速度翻倍（150g到300g）；旋转半径从4.5米增加到6.4米；最高转速从每分钟180转提升到每分钟214转；最高容量400g·t提升到1300g·t。其最大转速每分钟214转，从启动到达到300g大约需要30分钟。

所遇困难之最

超高速运转、更长的机械臂、更加极端的运行工况……CHIEF实现的多个“最”表明了团队难以在过去的经验上寻找答案，要在结构、接口、系统等问题上破旧立新。浙江大学多学科平台提供了这种可能，来自建工、控制、软件、能源、环境、材料等多学科背景的科学家与工程师组成的团队为CHIEF的复杂系统提供了新智慧，用交叉学科知识形成合力。

超重力离心机在高速旋转时会产生大量热量，让离心机主机环境迅速升温。为了保证离心机和机载装置的安全，团队设计了拥有全球最大法兰直径的真空温控系统，通过抽真空、冰河冷媒、通风冷却的不同组合来带走离心机高速旋转产生的热量，确保离心机能够在高转速下安全平稳运行。

“我们希望通过离心加速度和负载的调控，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物质运动的实验环境。”陈云敏介绍，CHIEF能够在单次实验中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，进而发现新现象、新理论。

“结合我国大型水轮机等旋转机械制造的成功经验，我们创造性地提出上下两端支撑、三导液压轴承的大容量、高离心加速度长臂的离心机结构体系。”CHIEF总工程师、浙江大学求是特聘教授凌道盛说。此外，CHIEF1300还配备了不平衡力动态调节的能力，可以应对实验装置在实验过程中产生的动态不平衡力，实现自动调节补偿。

动力基础“扛得牢”、离心机“稳得住”、机载装置在实验舱“住得安”，为CHIEF开展更复杂、高品质的动态实验奠定了基础。

模拟场景之最

CHIEF目前共有18套自主研制的能够再现多物理场极端环境的机载实验装置，其中6台国际首创，12台达国际领先水平，全面支撑起多学科交叉研究。这种试图在高速运转的离心机上开展动态变化、多因素作用的实验，陈云敏院士生动形容，就像是“让孙悟空在离心机里翻筋斗”。

部分机载实验装置与核心设备：

造波造啸及重力流实验装置

该装置由波浪模拟系统和海啸及重力流模拟系统两部分组成，可用于模拟原型4m高波浪，20m高海啸与海床相互作用和近岸海床设施失稳过程，以及高度10m、流速10m/s的海底重力流运移和侵蚀海床过程，旨在揭示波浪下海床土泥转化、海啸爬升形态演变及重力流运移和致灾机理，为我国重大基础设施安全与深海能源开发提供技术支撑。

深海高压温控实验装置

该装置能真实模拟原位水合物开采过程，通过实时、快速、精确测定模拟对象的温度场、应力场、变形场、渗流场等参数，研究开采过程中天然气水合物相变过程，以及由此导致的塌、漏、堵等海床-井管系统灾变机制，为高效、安全开采深海天然气水合物提供科学支撑。

超重力振动台

我国强震频发、损失巨大，给重大基础设施建设与运维带来了挑战，而超重力振动台被认为是研究百米尺度复杂场地地震动演变规律与岩土体致灾效应的唯一有效手段。该设备振动能力达到120g·t，建成后将是国际上有效负载最大、振动能力最强的超重力振动台，可揭示9度（烈度）单向地震动下百米级复杂场地的地震响应与灾变规律，为发展震害评估与抗震设计方法、保障基础设施抗震韧性提供科技支撑。

超重力定向凝固熔铸炉

在超重力等环境的多重作用下制造的合金材料晶粒更细、致密度更高、偏析度更小，成为性能优异的工程材料。该设备最高温度1600℃，最大通气流量70L/min氩气。基于超重力强化密度差产生的相分离效应，通过超重力、温度、通气流量等因素调控固-液界面前沿溶质对流及温度梯度，实现控构和控性，为制备性能优异的新材料创造了条件，对凝固理论的发展具有重要的理论指导意义。

500公里/小时高铁路基动力效应装置

浙江大学研制的新一代高速铁路路基动力效应试验装置能已建成并进入调试试运行阶段，列车运行速度达500km/h，列车轴重达40吨，具备模拟目前国内外所有高速列车对路基的加载能力，建成后将为我国时速500公里高速铁路的路基设计与建造关键技术提供技术验证，并为适应极端地质和极端气候条件的高速铁路新技术研发提供重要的试验平台。

超重力高压高温装置

500T级高温高压装置主要结构包括500T压机+活塞-圆筒/多面砧压腔，适用于ZJU400离心机和CHIEF-1300模型机。活塞-圆筒压腔主要由支撑隔板、上托盘、压力盘、活塞和底座组成。通过活塞对碳化钨内部的样品进行加压，通过循环冷却水对压力盘和相关部件进行冷却，维持系统长时间稳定性。目前超重力活塞-圆筒型压机在120g超重力场实现最高1500℃-3.2GPa温压条件。

三轮驱动创新研究数智中心

数智中心通过监测离心机全生命周期运行状态，构建服役性能退化与风险预警模型，保障离心机运行安全、稳定、高效；通过融合超重力实验、数值模拟、现场原位监测等多源数据，实现了“超重力物理模型-数学模型-数据模型”三轮驱动创新科研范式，并初步取得成效。以滑坡灾害人工智能预测为例，与一般人工智能模型相比，融合三轮数据的人工智能预测模型准确率从80%提升至90%。