压缩时空 重现自然演变过程 ——探访超重力离心模拟与实验装置

来源：滚动播报

（来源：科创中国）

在杭州城西科创大走廊一座形似未来飞船的建筑内，国家重大科技基础设施——超重力离心模拟与实验装置（CHIEF）建设迎来关键节点。

　　1月26日，科技日报记者探访时看到，装置中备受瞩目的超重力重载机（CHIEF1900）和高速机（CHIEF1500）正在进行最后安装，即将进入调试阶段。这标志着由我国完全自主研发、被誉为“全世界能力最强的离心机”的CHIEF即将全面建成投用。

　　这套大科学装置由3台离心机主机及18套机载装置组成。其首台主机模型机（CHIEF1300）已于2025年9月投入运行并开展实验。

　　“我们的装置能够模拟超过地球重力千百倍的‘超重力场’，是重大工程防灾减灾、深地深海资源开发及地质过程研究等领域不可或缺的科研利器。”CHIEF首席科学家、中国科学院院士、浙江大学教授陈云敏介绍，该装置能通过产生超重力环境，压缩时空，在短时间内模拟出长历时、大尺度的自然演变与工程过程，为破解相关领域的关键科学难题提供实验平台。

　　超越国际同类装置

　　走进杭州超重力实验楼，呈现在眼前的是一座“深埋地下的科学堡垒”。通过大楼剖面模型可以清晰地看到，CHIEF的3台核心设备——CHIEF1900、CHIEF1500、CHIEF1300像3只陀螺，在地下空间依次排列。

　　超重力，听起来虽显专业，但生活中无处不在。乘坐过山车时面部的拉扯感、飞机爬升时的压迫感、汽车瞬间启动的“推背感”……这些都是我们熟悉的超重力体验。而CHIEF所要创造的，是百倍、千倍于地球重力的极端环境。

　　“其核心在于改变力场强度。”CHIEF总工程师、浙江大学求是特聘教授凌道盛解释，“通过超重力带来的缩尺、缩时和能量强化三大效应，我们得以在实验室里重现自然界中漫长、宏大乃至极端的过程。”

　　乘坐电梯深入地下，步入金属包裹的圆形实验大厅，CHIEF1300的钢铁身躯赫然展现。它舒展着6.4米长的双臂，两端悬挂的8吨吊篮宛如“科学使命舱”。当它开始旋转，便能模拟出10g—300g（重力加速度单位，1g≈9.80米/平方秒）的超重力环境，其综合性能指标达到1300g·t（重力加速度·吨），位居世界前列。

　　“在吊篮中放置不同的实验舱，就相当于把高山大海、高楼大厦‘搬进’实验室。”主机组组长、浙江大学副教授汪玉冰生动地比喻道。这套系统使科学家能构建从原子尺度到千米尺度、从瞬间变化到万年历程的多维实验环境，为解决岩土灾变、深海勘探、材料研制等重大工程难题提供前所未有的研究手段。

　　作为工程建设大国，我国在防灾减灾、能源开发等领域面临诸多涉及大尺度、长周期的科学挑战。凌道盛坦言：“将现实中难以复现的场景‘搬进’实验舱，验证新技术、探索新规律，正是我们建设CHIEF的初心。”

　　目前全球有超重力离心机200余台，但CHIEF的3台主机综合性能均已超越国际同类装置，使我国拥有了世界上容量最大、功能最强的多学科超重力实验平台。

　　攻克两大技术难题

　　站在CHIEF1300这座钢铁巨人的脚下，能清晰感受到其精密构造背后所承载的技术重量。

　　作为目前世界上容量最大的超重力离心机，CHIEF的建设没有任何现成经验可循。“所有困难和问题都要靠团队自己攻克。”陈云敏的这句话，道出了这项工程所面临的极限挑战。

　　超重力离心机在高速旋转时会产生巨大热量，直接影响设备运行安全。团队为此研制了全球最大法兰直径的真空温控系统，通过多重冷却技术组合，成功解决了高热负荷下的温控难题。凌道盛指着巨大的圆形舱体说：“这里不只是一座‘钢铁堡垒’，更是一个巨型密封罐和冷冻库。”

　　降温只是确保CHIEF正常运行的手段之一，稳定性才是摆在团队面前一道棘手的难题。

　　圆形“堡垒”的底部，俯身可见CHIEF1300的“下肢”部分。汪玉冰告诉记者，由于最大加速度的限制，多数传统离心机仅有两个支点。这类结构如果在CHIEF1300的设计转速下，可能出现“摇头晃脑”的情况，无法正常工作。

　　“借鉴我国大型水轮机等旋转机械的制造经验，团队创造性地提出‘上下两端支撑+三导液压轴承’的结构体系，成功破解了大容量、高离心加速度长臂离心机的稳定性难题。”汪玉冰说。

　　团队在离心机顶部增加支点，用一根超过10米长的主轴贯穿机身，将上下支点的偏离误差控制在0.05毫米内，这比一根头发丝的直径还要细。同时，团队采用液压滑动轴承替代传统滚动轴承，以适应大轴径、高转速工况。

　　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’，实验装置才能‘住得安’。”汪玉冰告诉记者，在这座地下科学殿堂里，48项关键技术的突破与80余项专利的取得，共同铸就了大国重器坚不可摧的技术基石。

　　拓展更多应用场景

　　离开CHIEF1300所在的“钢铁堡垒”，回到地面实验室，另一番景象正徐徐展开——多套机载实验装置正在紧锣密鼓地调试。这些装置与3台核心离心机协同工作，共同构成了一个多学科、多场景的实验体系。

　　“CHIEF能在单次实验中再现岩土体千米尺度演变、模拟污染物万年迁移、获取千种材料成分，为发现新现象、新理论提供可能。”陈云敏说。团队自主研制的18套机载实验装置中，6套为国际首创，12套达国际领先水平。他打了个比喻说：“在高速旋转的离心机上开展动态、多因素实验，就像‘让孙悟空在离心机里翻筋斗’。”

　　在实验室内，深海高压温控实验装置尤为引人注目。负责人王路君研究员指着由圆柱体、储气罐等组成的箱体介绍，这套自研装置首次在离心机上模拟了可燃冰的开采过程。

　　它被装入CHIEF1300吊篮后，可模拟最深2000米的压力与温度环境。“20兆帕高压与200g超重力结合，仅用1米高模型即可模拟200米深的沉积层。”王路君说，“这有助于优化开采工艺，评估地质灾害风险。”

　　其他装置同样“神通广大”：造波造啸装置能高精度模拟极端海洋环境，超重力振动台可揭示9度烈度地震下百米级复杂场地的灾变规律……它们支撑着边坡与高坝、岩土地震工程、深海深地工程、地质过程等六大领域的科学研究。

　　“18套机载实验装置，如同‘巨人’手中的‘十八般兵器’，变化多端、神通广大。”凌道盛说。

　　自CHIEF1300投入运行以来，已吸引全球科研机构前来合作，任务排期至2026年11月；功能更强的重载机与高速机也即将投用。

　　“人类一直渴望利用超重力探索自然界物质运动规律，CHIEF刷新了世界超重力离心机的容量纪录，这意味着突破新的物理极限。”陈云敏表示，“这台国之重器将引领我国超重力科技步入国际前列，为重大工程研发、资源开发与前沿科学提供关键支撑。”

（来源：科技日报 作者：江 耘）