在杭州城西科創(chuàng)大走廊一座形似未來飛船的建筑內(nèi)，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——超重力離心模擬與實(shí)驗(yàn)裝置（CHIEF）建設(shè)迎來關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。
1月26日，科技日報(bào)記者探訪時(shí)看到，裝置中備受矚目的超重力重載機(jī)（CHIEF1900）和高速機(jī)（CHIEF1500）正在進(jìn)行最后安裝，即將進(jìn)入調(diào)試階段。這標(biāo)志著由我國完全自主研發(fā)、被譽(yù)為“全世界能力最強(qiáng)的離心機(jī)”的CHIEF即將全面建成投用。
這套大科學(xué)裝置由3臺(tái)離心機(jī)主機(jī)及18套機(jī)載裝置組成。其首臺(tái)主機(jī)模型機(jī)（CHIEF1300）已于2025年9月投入運(yùn)行并開展實(shí)驗(yàn)。
“我們的裝置能夠模擬超過地球重力千百倍的‘超重力場’，是重大工程防災(zāi)減災(zāi)、深地深海資源開發(fā)及地質(zhì)過程研究等領(lǐng)域不可或缺的科研利器?！盋HIEF首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士、浙江大學(xué)教授陳云敏介紹，該裝置能通過產(chǎn)生超重力環(huán)境，壓縮時(shí)空，在短時(shí)間內(nèi)模擬出長歷時(shí)、大尺度的自然演變與工程過程，為破解相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)難題提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
超越國際同類裝置
走進(jìn)杭州超重力實(shí)驗(yàn)樓，呈現(xiàn)在眼前的是一座“深埋地下的科學(xué)堡壘”。通過大樓剖面模型可以清晰地看到，CHIEF的3臺(tái)核心設(shè)備——CHIEF1900、CHIEF1500、CHIEF1300像3只陀螺，在地下空間依次排列。
超重力，聽起來雖顯專業(yè)，但生活中無處不在。乘坐過山車時(shí)面部的拉扯感、飛機(jī)爬升時(shí)的壓迫感、汽車瞬間啟動(dòng)的“推背感”……這些都是我們熟悉的超重力體驗(yàn)。而CHIEF所要?jiǎng)?chuàng)造的，是百倍、千倍于地球重力的極端環(huán)境。
“其核心在于改變力場強(qiáng)度?！盋HIEF總工程師、浙江大學(xué)求是特聘教授凌道盛解釋，“通過超重力帶來的縮尺、縮時(shí)和能量強(qiáng)化三大效應(yīng)，我們得以在實(shí)驗(yàn)室里重現(xiàn)自然界中漫長、宏大乃至極端的過程。”
乘坐電梯深入地下，步入金屬包裹的圓形實(shí)驗(yàn)大廳，CHIEF1300的鋼鐵身軀赫然展現(xiàn)。它舒展著6.4米長的雙臂，兩端懸掛的8噸吊籃宛如“科學(xué)使命艙”。當(dāng)它開始旋轉(zhuǎn)，便能模擬出10g—300g（重力加速度單位，1g≈9.80米/平方秒）的超重力環(huán)境，其綜合性能指標(biāo)達(dá)到1300g·t（重力加速度·噸），位居世界前列。
“在吊籃中放置不同的實(shí)驗(yàn)艙，就相當(dāng)于把高山大海、高樓大廈‘搬進(jìn)’實(shí)驗(yàn)室?！敝鳈C(jī)組組長、浙江大學(xué)副教授汪玉冰生動(dòng)地比喻道。這套系統(tǒng)使科學(xué)家能構(gòu)建從原子尺度到千米尺度、從瞬間變化到萬年歷程的多維實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為解決巖土災(zāi)變、深海勘探、材料研制等重大工程難題提供前所未有的研究手段。
作為工程建設(shè)大國，我國在防災(zāi)減災(zāi)、能源開發(fā)等領(lǐng)域面臨諸多涉及大尺度、長周期的科學(xué)挑戰(zhàn)。凌道盛坦言：“將現(xiàn)實(shí)中難以復(fù)現(xiàn)的場景‘搬進(jìn)’實(shí)驗(yàn)艙，驗(yàn)證新技術(shù)、探索新規(guī)律，正是我們建設(shè)CHIEF的初心?！?/p>
目前全球有超重力離心機(jī)200余臺(tái)，但CHIEF的3臺(tái)主機(jī)綜合性能均已超越國際同類裝置，使我國擁有了世界上容量最大、功能最強(qiáng)的多學(xué)科超重力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
攻克兩大技術(shù)難題
站在CHIEF1300這座鋼鐵巨人的腳下，能清晰感受到其精密構(gòu)造背后所承載的技術(shù)重量。
作為目前世界上容量最大的超重力離心機(jī)，CHIEF的建設(shè)沒有任何現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)可循?！八欣щy和問題都要靠團(tuán)隊(duì)自己攻克?！标愒泼舻倪@句話，道出了這項(xiàng)工程所面臨的極限挑戰(zhàn)。
超重力離心機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大熱量，直接影響設(shè)備運(yùn)行安全。團(tuán)隊(duì)為此研制了全球最大法蘭直徑的真空溫控系統(tǒng)，通過多重冷卻技術(shù)組合，成功解決了高熱負(fù)荷下的溫控難題。凌道盛指著巨大的圓形艙體說：“這里不只是一座‘鋼鐵堡壘’，更是一個(gè)巨型密封罐和冷凍庫。”
降溫只是確保CHIEF正常運(yùn)行的手段之一，穩(wěn)定性才是擺在團(tuán)隊(duì)面前一道棘手的難題。
圓形“堡壘”的底部，俯身可見CHIEF1300的“下肢”部分。汪玉冰告訴記者，由于最大加速度的限制，多數(shù)傳統(tǒng)離心機(jī)僅有兩個(gè)支點(diǎn)。這類結(jié)構(gòu)如果在CHIEF1300的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，可能出現(xiàn)“搖頭晃腦”的情況，無法正常工作。
“借鑒我國大型水輪機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的制造經(jīng)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出‘上下兩端支撐+三導(dǎo)液壓軸承’的結(jié)構(gòu)體系，成功破解了大容量、高離心加速度長臂離心機(jī)的穩(wěn)定性難題?！蓖粲癖f。
團(tuán)隊(duì)在離心機(jī)頂部增加支點(diǎn)，用一根超過10米長的主軸貫穿機(jī)身，將上下支點(diǎn)的偏離誤差控制在0.05毫米內(nèi)，這比一根頭發(fā)絲的直徑還要細(xì)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)采用液壓滑動(dòng)軸承替代傳統(tǒng)滾動(dòng)軸承，以適應(yīng)大軸徑、高轉(zhuǎn)速工況。
此外，CHIEF1300還配備了不平衡力動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的能力，可以應(yīng)對實(shí)驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)不平衡力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償。
“動(dòng)力基礎(chǔ)‘扛得牢’，離心機(jī)‘穩(wěn)得住’，實(shí)驗(yàn)裝置才能‘住得安’。”汪玉冰告訴記者，在這座地下科學(xué)殿堂里，48項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破與80余項(xiàng)專利的取得，共同鑄就了大國重器堅(jiān)不可摧的技術(shù)基石。
拓展更多應(yīng)用場景
離開CHIEF1300所在的“鋼鐵堡壘”，回到地面實(shí)驗(yàn)室，另一番景象正徐徐展開——多套機(jī)載實(shí)驗(yàn)裝置正在緊鑼密鼓地調(diào)試。這些裝置與3臺(tái)核心離心機(jī)協(xié)同工作，共同構(gòu)成了一個(gè)多學(xué)科、多場景的實(shí)驗(yàn)體系。
“CHIEF能在單次實(shí)驗(yàn)中再現(xiàn)巖土體千米尺度演變、模擬污染物萬年遷移、獲取千種材料成分，為發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新理論提供可能?！标愒泼粽f。團(tuán)隊(duì)自主研制的18套機(jī)載實(shí)驗(yàn)裝置中，6套為國際首創(chuàng)，12套達(dá)國際領(lǐng)先水平。他打了個(gè)比喻說：“在高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)上開展動(dòng)態(tài)、多因素實(shí)驗(yàn)，就像‘讓孫悟空在離心機(jī)里翻筋斗’?！?/p>
在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，深海高壓溫控實(shí)驗(yàn)裝置尤為引人注目。負(fù)責(zé)人王路君研究員指著由圓柱體、儲(chǔ)氣罐等組成的箱體介紹，這套自研裝置首次在離心機(jī)上模擬了可燃冰的開采過程。
它被裝入CHIEF1300吊籃后，可模擬最深2000米的壓力與溫度環(huán)境?！?0兆帕高壓與200g超重力結(jié)合，僅用1米高模型即可模擬200米深的沉積層?！蓖趼肪f，“這有助于優(yōu)化開采工藝，評估地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>
其他裝置同樣“神通廣大”：造波造嘯裝置能高精度模擬極端海洋環(huán)境，超重力振動(dòng)臺(tái)可揭示9度烈度地震下百米級復(fù)雜場地的災(zāi)變規(guī)律……它們支撐著邊坡與高壩、巖土地震工程、深海深地工程、地質(zhì)過程等六大領(lǐng)域的科學(xué)研究。
“18套機(jī)載實(shí)驗(yàn)裝置，如同‘巨人’手中的‘十八般兵器’，變化多端、神通廣大?！绷璧朗⒄f。
自CHIEF1300投入運(yùn)行以來，已吸引全球科研機(jī)構(gòu)前來合作，任務(wù)排期至2026年11月；功能更強(qiáng)的重載機(jī)與高速機(jī)也即將投用。
“人類一直渴望利用超重力探索自然界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，CHIEF刷新了世界超重力離心機(jī)的容量紀(jì)錄，這意味著突破新的物理極限。”陳云敏表示，“這臺(tái)國之重器將引領(lǐng)我國超重力科技步入國際前列，為重大工程研發(fā)、資源開發(fā)與前沿科學(xué)提供關(guān)鍵支撐?！?/p>