原標(biāo)題：縮時(shí)：一天模擬上千年縮尺：實(shí)驗(yàn)室里“跑高鐵”
上圖：離心機(jī)ZJU400，迷你版CHIEF
下圖：陳云敏院士
近日，由浙江大學(xué)牽頭的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——超重力離心模擬實(shí)驗(yàn)裝置(CHIEF)可行性研究報(bào)告獲得國家發(fā)改委批復(fù)。這也是浙江省首個(gè)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。
項(xiàng)目位于杭州余杭區(qū)未來科技城，建設(shè)時(shí)間5年，占地約89畝，總投資超20億元。
什么是超重力離心模擬實(shí)驗(yàn)裝置？它是做什么的？
為了揭開這高大上設(shè)備的廬山真面目，錢報(bào)記者來到浙大紫金港校區(qū)，專訪了負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的陳云敏院士團(tuán)隊(duì)，并獨(dú)家參觀了實(shí)驗(yàn)裝置。陳院士是浙大建筑工程學(xué)院的教授，也是該項(xiàng)目的首席科學(xué)家。
原來，這套高科技設(shè)備具有“壓縮時(shí)空”的神奇功能，它能讓研究人員“跨越時(shí)間”，用一天模擬一千年，還能在實(shí)驗(yàn)室里“跑高鐵”！
什么是超重力
它能壓縮時(shí)空，一眼萬年
“浙大的這個(gè)CHIEF，是‘國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施’，那是指大型復(fù)雜的科學(xué)研究裝置或系統(tǒng)，是能推動(dòng)國家科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的‘國之重器’。和CHIEF同樣級(jí)別的裝置，還有北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、上海光源、天眼FAST射電望遠(yuǎn)鏡等等。”陳云敏院士介紹。
CHIEF項(xiàng)目是“十三五”時(shí)期優(yōu)先建設(shè)的10項(xiàng)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目之一，也是在浙江省建設(shè)的首個(gè)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。
朱斌教授是該項(xiàng)目的副總工程師，他向記者介紹了和超重力相關(guān)的知識(shí)。
地球表面的任何物體都會(huì)受到地球重力的作用，人能夠站立在地面上，物體會(huì)下落，都是重力的原因。
科學(xué)家們把地球上的重力叫做常重力，用1g（重力單位）來表示，大于1個(gè)g的就叫超重力。比如航天員乘坐飛船返回地球時(shí)，會(huì)受到4個(gè)g的超重力，相當(dāng)于承受了4個(gè)自己的重量。
在超重力環(huán)境下，會(huì)發(fā)生一些神奇效應(yīng)。因?yàn)檫@些神奇效應(yīng)，科學(xué)家們可以完成很多在常重力環(huán)境中難以完成的實(shí)驗(yàn)。
首先，超重具有“縮尺”作用。朱斌打了一個(gè)比方，“舉個(gè)例子，想知道100層樓高的房子對(duì)地基的影響，那么我們只需要造1層樓高的模型，將它放在100個(gè)g的超重力作用下，這時(shí)，1層樓對(duì)地基的影響效果，就相當(dāng)于常重力下100層樓對(duì)地基影響的效果。這就是縮尺作用。”
超重力場(chǎng)中還存在“縮時(shí)”效應(yīng)，科學(xué)家們可以利用這點(diǎn)極大地縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間。
陳云敏院士給記者舉了一個(gè)例子。 如果在超重力離心機(jī)上搭載土體污染物移動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，可以模擬污染物在地下的大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間的移動(dòng)。 如果現(xiàn)實(shí)中研究污染物的移動(dòng)，需要幾千年，但在超重力場(chǎng)的模擬中，可能只需要一天。 可以說“山中方一天，世界一千年了”。
超重力有什么用
可以在實(shí)驗(yàn)室里“跑高鐵”
超重力的“縮時(shí)”和“縮尺”等效應(yīng)，可以讓研究者做很多現(xiàn)實(shí)中無法操作的實(shí)驗(yàn)。而想要產(chǎn)生一個(gè)超重力場(chǎng)，就需要超重力離心機(jī)。
CHIEF就是這樣一個(gè)超重力裝置。在CHIEF預(yù)研階段，浙大團(tuán)隊(duì)就利用超重力，做出了不少成果，比如“高速鐵路列車運(yùn)行動(dòng)力效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)”。
這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了控制高鐵在我國東南沿海深厚軟土地區(qū)運(yùn)行時(shí)的沉降。
怎么做實(shí)驗(yàn)?zāi)兀吭诂F(xiàn)實(shí)中，不可能真的在東南沿海修一條軌道、造一輛高鐵去研究，這需要花費(fèi)巨大的金錢和時(shí)間成本。但是利用超重力環(huán)境中的縮尺、縮時(shí)等效應(yīng)，便可以用一個(gè)小的模型來模擬現(xiàn)實(shí)中高鐵的運(yùn)行，來研究和驗(yàn)證各種方案。
CHIEF預(yù)研實(shí)驗(yàn)就提供了這樣的條件。這個(gè)“在實(shí)驗(yàn)室里跑高鐵”的項(xiàng)目后來入選了2017年度“中國高等學(xué)校十大科技進(jìn)展”。陳云敏院士說，“CHIEF研發(fā)出來可極大拓展我們的試驗(yàn)研究能力，做原來沒法做的試驗(yàn)。”
該項(xiàng)目選址杭州余杭區(qū)未來科技城，建設(shè)時(shí)間為5年，占地約89畝，總投入將超過20億人民幣。建成后，它將填補(bǔ)我國超大容量超重力裝置的空白，成為世界領(lǐng)先、應(yīng)用范圍最廣的超重力多學(xué)科綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
目前，世界上離心機(jī)最大容量為1200g·t（重力加速度×噸），而CHIEF容量將會(huì)達(dá)到1900g·t。它是一個(gè)構(gòu)建從瞬態(tài)到萬年時(shí)間尺度、從原子級(jí)到千米級(jí)空間尺度、從常溫常壓到高溫高壓等多相介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境的“大家伙”。
記者現(xiàn)場(chǎng)探訪
超重力離心機(jī)長(zhǎng)啥樣
那么，CHIEF到底長(zhǎng)什么樣子？它是怎樣產(chǎn)生超重力場(chǎng)的呢？
此前，浙大已經(jīng)建成一個(gè)“迷你版”裝置ZJU400，它在浙大建工實(shí)驗(yàn)大廳的地下室。陳云敏院士帶錢報(bào)記者近距離觸摸了這個(gè)裝置。
這個(gè)圓形地下室占地約50平方米，里面有且僅有一個(gè)天平狀的機(jī)器，并占據(jù)了整個(gè)房間。陳云敏院士指著機(jī)器向記者介紹，這就是ZJU400，它的“手臂”有4.5米長(zhǎng)，兩個(gè)轉(zhuǎn)軸上各搭載了一個(gè)邊長(zhǎng)1米的正方體實(shí)驗(yàn)艙，實(shí)驗(yàn)艙的最大負(fù)荷有3噸。在它轉(zhuǎn)動(dòng)到一定速度后，實(shí)驗(yàn)艙在離心力的作用下，艙內(nèi)的超重力場(chǎng)就生成了。這是一臺(tái)離心加速度可達(dá)到150倍重力加速度的離心機(jī)。
未來的CHIEF的轉(zhuǎn)臂半徑可達(dá)9m，實(shí)驗(yàn)艙是3m，最大負(fù)荷可達(dá)32噸，是它的10倍。ZJU400可以說是一個(gè)微型CHIEF。
為什么要把機(jī)器放在地下室？這主要是出于安全考慮，“因?yàn)殡x心機(jī)上面搭載的吊籃會(huì)高速旋轉(zhuǎn)。”
“不過，在高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)境中，人是不能在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)操作實(shí)驗(yàn)的。”陳云敏院士解釋，實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)有機(jī)械手臂，它們所有的動(dòng)作都是在中央控制臺(tái)的控制下進(jìn)行的。在這個(gè)地下室里面安裝了很多傳感器，能把檢測(cè)到的信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂剖摇?/p>
既然已經(jīng)有迷你版，為什么還要建設(shè)CHIEF這個(gè)如此龐大的超重力離心機(jī)呢？
“日常生活中，我們用的洗衣機(jī)也有很大的離心力，在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)里使用的離心機(jī)設(shè)備的離心力更大，但是它們都有一個(gè)缺點(diǎn)：所能負(fù)荷的東西少，抗不平衡能力差。”陳云敏院士說，“所以我們研究的核心就是在高速的離心加速度上增加它所能承擔(dān)的重量。”
早在去年一月份，CHIEF項(xiàng)目建議書就獲得了國家發(fā)展和改革委員會(huì)的批復(fù)。在這一年多里，浙大的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)做的是“找茬”的預(yù)研工作，在正式開工之前，把可能碰到的技術(shù)難題都提出來。
“如果把超重力離心機(jī)主機(jī)比作一個(gè)挑著扁擔(dān)在轉(zhuǎn)圈的人，那么如何讓他不‘暈頭轉(zhuǎn)向’，就是在預(yù)研階段要解決的難題。”陳云敏院士說。
