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超越時空的超重力嘗試

——浙江大學國家重大科技基礎設施項目超重力離心模擬與實驗裝置

發布時間:2019-04-15 作者:通訊員 柯溢能 吳雅蘭 金云云 來源:中國教育報

南朝梁任昉的《述異記》里,有這樣一個故事,王質在石室山中砍樹,看到童子在下棋,看得入迷了,等到他離開的時候才發現斧柄都爛掉了。原來他在山上誤入了仙境,在山上過了一天,世上已經過了千年。滄海桑田,瞬息萬變,在當下流行的影視劇里,演變成了男女主人公回到古代的時空穿越。

在現實的生活里,我們也許沒法穿越時空笑看滄海桑田,不過在實驗室里,模擬一眼萬年、一步千里的時空壓縮倒并非不可能。浙江大學建筑工程學院陳云敏院士牽頭的國家重大科技基礎設施項目——超重力離心模擬與實驗裝置,就是一個構建從瞬態到萬年時間尺度、從原子級到千米級空間尺度、從常溫常壓到高溫高壓等多相介質運動的實驗環境的“大家伙”。

這個總投入超20億元人民幣的設施是“十三五”時期優先建設的10項國家重大科技基礎設施項目之一,也是在浙江省建設的首個國家重大科技基礎設施項目。

    山中一日,世上千年

此次浙江大學牽頭建設的超重力離心模擬與實驗裝置,是綜合集成超重力離心機與力學激勵、高壓、高溫等機載裝置,將超重力場與極端環境疊加一體的大型復雜科學實驗設施。團隊用設施英文名稱(Centrifugal Hypergravity and Interdisciplinary Experiment Facility)的首字母給它取了個名字,叫CHIEF,寓意著該項目成為超重力離心模擬與實驗裝置方面的翹楚,引領全球科學家深耕重大基礎設施建設、深地深海資源開發與高性能材料研發。

設施主要建設內容包括超重力離心機主機、超重力實驗艙、超重力試驗保障系統和配套設施。其中,兩臺超重力離心機主機,最大容量1900g·t,最大離心加速度1500g,最大負載32t;另外還有邊坡與高壩、巖土地震工程、深海工程、深地工程與環境、地質過程、材料制備共六座超重力實驗艙。項目建設周期為5年,建成后,將填補我國超大容量超重力裝置的空白,成為世界領先、應用范圍最廣的超重力多學科綜合實驗平臺。

“CHIEF可以為研究巖土體和地球深部物質的時空演變、加速物質相分離提供必不可少的實驗手段,為國家重大科技任務開展、重大工程新技術研發和驗證、物質前沿科學發展,提供先進的試驗平臺和基礎條件支撐,顯著提升我國相關多學科領域的研究水平和國際競爭力。”陳云敏院士打了個比方,如果在超重力離心機上搭載污染物土中遷移實驗裝置,我們就可以看到污染物在地下大尺度、長歷時的運移,可謂“山中方一日,世上已千年”。

總體而言,CHIEF將超重力離心機能力從國內400g·t級、國際最大1200g·t突破至1900g·t,具備單次實驗再現巖土體千米尺度演變與災變、污染物萬年歷時遷移及獲取千種材料成分的實驗能力。

    “找茬”挖出48個問題

CHIEF的離心機容量世界最大,18臺機載裝置中有6臺屬于世界首創、12臺技術指標國際領先,因此要做成這樣一個“大家伙”,肯定困難重重,尤其是涉及48項關鍵技術。

陳云敏院士要求大家在正式開工之前把可能碰到的技術難題都提出來。過去的這一年,團隊所做的正是這樣一個有點類似“找茬”的預研工作。到現在為止,他們挖出了建設過程中會遇到的48項關鍵技術,也論證了項目從原理上是可行的。

很多人經常問陳云敏院士,項目何時開工,何時建成。他總是笑而不語。所謂內行看門道,業界有句話說,原理不行的技術上肯定不行,原理行的技術上不一定行,所以關鍵技術難題要先從科學原理上解決,并在此基礎上通過試驗證明技術上是可行的。

一方面要國際領先,另一方面又要技術成熟。這個難度用陳云敏院士自己的話說,“如果這個階段沒有發現問題,就會給今后的制造過程留下隱患,裝置的目的可能就實現不了。只要有一個驗收指標沒有達到,整個項目就不能通過驗收,想要調整都不可能。”確實,發現問題比解決問題更加重要,也更難。陳云敏院士讓團隊所有成員立下軍令狀,“誰沒發現問題,誰負責。”

在超重力離心機主機的預研過程中,他們就發現了一個問題。

轉軸下面有電機,帶動轉臂高速轉動,產生離心力。但是在旋轉的過程中,當達到臨界轉速時,系統會發生共振,產生的晃動會降低轉速,可能就無法達到設計的極限值。這有點類似小時候玩的陀螺,一旦產生晃動后,旋轉速度就會降低。陳云敏院士打了個比方,超重力離心機主機就好像是一個挑著扁擔在轉圈的人,如何讓他不“暈頭轉向”,就是在預研階段要解決的難題。目前團隊已經通過現有的ZJU400超重力離心機驗證了這個問題。

    邊預研邊出成果

這一年來,團隊不斷地小試中試,提出難點問題,設計解決方案,驗證方法和參數,“這是做工程的基本原則,用在工程上的設計方法和算法要通過試驗驗證過,才能使用。”

在預研的過程中,陳云敏團隊做出了許多研究成果。其中的一個項目“高速鐵路列車運行動力效應試驗系統”入選2017年度“中國高等學校十大科技進展”。這個“在實驗室里跑高鐵”的項目,在可控條件下研究高速列車運行引起的線路路基動力效應,具有重要科學意義和工程價值。

高鐵輪子傳過去的荷載首先給軌道,再通過軌枕傳給路面。在我國東南沿海深厚軟土地區,高鐵地基需要打入很深的樁才能控制住高鐵的沉降,這個樁及上面的路基該怎么設計才能控制沉降呢?陳云敏院士團隊的邊學成教授在超重力大科學裝置中就是專門負責超重力高鐵加載裝置的研發。他就想到在軌枕上直接布置加力的裝置。這個裝置將列車運行荷載轉化為作用于一系列軌枕上的垂向動荷載,通過精確控制相鄰激振器的加載相位差實現列車輪軸高速移動對路基的加載。

整個試驗系統由列車運行加載激振器陣列、加載控制系統、全比尺線路模型和測試系統組成。有了這個裝置,列車行駛就像在軌枕上彈鋼琴,每個軌枕就是鋼琴的鍵,壓得越快代表輪子移動越快,從而實現高速移動荷載的加載。他們的實驗結果顯示與實際荷載基本一致。

“CHIEF研發出來可極大拓展我們的試驗研究能力,做原來沒法做的試驗。當然難度也很高,需要我們多學科交叉共同發現問題解決問題。”邊學成說。

項目還沒正式開建,就已經成果迭出,這聽上去很新鮮。陳云敏院士說,超重力的環境是全新的,可以讓大家腦洞大開,不受以往教科書知識的束縛,“這樣一個極端環境促使大家帶著問題去思考,老師和學生的思維就非常活躍。”

    好奇心驅動下的創新研究

大科學裝置的研制,處處充滿了創新,不像標準化儀器那樣有據可依,一切都需要重新摸索。

陳云敏院士說,當初提出這個想法,也是出于對科學的好奇。“我是一個好奇心比較足的人。在浙大的學習時光,讓我感悟到自然和科學美,激起了我出于好奇心而產生的求知欲。科學家最大的內動力就是好奇心,超重力離心模擬與實驗裝置剛好可以驗證我對于這方面的一些疑問。”

在團隊成員眼中,CHIEF就是一個科學被好奇心驅動的地方。為了同樣的好奇心,不論是院士,還是青年科研人員,都常常碰撞交流,一討論就到凌晨兩三點鐘。“團隊里的幾位院士,張澤、楊樹鋒、楊華勇,每一次論證會都抽出時間參加,討論起來都是非常地投入。”

以問題為導向,是團隊的一大研究特色。在這里,不同學科和領域都是基于超重力增大多相介質體積力和加快相分離的基本科學原理而匯聚到了一起,使得項目具有促進小學科之間、相鄰學科之間、甚至不同大學科之間的相互交叉和融合的天然優勢,為產生新思想、新方法、開辟新領域和建立新學科創造良好的環境。

在團隊招聘時,陳云敏院士必問的一個話題就是“是否對科學有興趣”,在他看來,興趣和好奇心是激發研究熱情、撬動地球杠桿的支點。他們也確實招到了一批名牌大學來的年輕人,多學科交叉的工程學科給了他們很大的平臺。

“放手支持他們去創新,完全可以做到一流。”陳云敏院士很有信心。

最近,還有一個方案已經列入了陳云敏院士的工作計劃。他準備建立一個研究院,在培養學生的同時,把超重力基礎研究中的科學新發現轉變成技術,然后產業化。

《中國教育報》2019年04月15日第7版 

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