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超重力,给人全新的时空思维

广西11选5投注 www.5tx2.cn 发布时间:2019-01-18来源:浙大新闻办

南朝梁任昉的《述异记》里,有这样一个故事,王质在石室山中砍树,看到童子在下棋,看得入迷了,等到他离开的时候才发现斧头都烂掉了。原来他在山上误入了仙境,在山上过了一天,世上已经过了千年。沧海桑田,瞬息万变,在当下流行的影视剧里,演变成了男女主人公回到古代的时空穿越。

在现实的生活里,我们也许没法穿越时空笑看沧海桑田,不过在实验室里,模拟一眼万年、一步千里的时空压缩倒并非不可能。浙江大学建筑工程学院陈云敏院士牵头的国家重大科技基础设施项目——超重力离心模拟与实验装置,就是一个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运动的实验环境的“大家伙”。

这个总投入超20亿元人民币的设施是“十三五”时期优先建设的10项国家重大科技基础设施项目之一,也是在浙江省建设的首个国家重大科技基础设施项目。

近日,国家发展和改革委员会批复了这个大科学装置的可行性研究报告。从项目建议书批复至今的一年多里,浙大的科学家团队在忙什么?这个大装置进展如何?最近记者采访了陈云敏院士。


山中一日,世上千年”的神奇效应

地球表面的任何物体都受到地球重力的作用,即受到地球的引力和地球自转引起的惯性离心力的合力的作用。从被牛顿关注的那个苹果落地开始,人类对重力的研究就没有停止过??蒲Ъ颐前训厍蛏现亓Τ〗谐V亓Τ?,1g≈9.8m/s2,大于1个g的叫作超重力。

超重力是怎样一种体验呢?神舟十一号航天员陈冬这样描述:“飞船上升时,重力加速度在5.5g,返回时在4g左右,而我们训练时要达到8g。像我70公斤,就是870公斤压在我身上,要能顶得住。普通成年人能承受4g已经很不错了,如果是8g,会压得胸痛,无法呼吸?!?/span>

显然,在超重力环境下,会发生我们平??床坏降纳衿嫘в?。首先,超重力增大了物质的体积力,能产生缩尺作用。举个例子,想知道100层楼高的房子对地基的影响,那么我们只需要造一层楼高的模型,在100g的超重力作用下,就能模拟100层楼的效果。其次,超重力场加速了不同物质之间的相对运动的驱动力,从而产生缩时作用。比如超重力场下的爆气试验,超重力增大了气泡的运动速度,加速了相分离。

营造超重力场模拟常重力多相介质的物质运动过程,具有时空压缩、能量强化和加速相分离三种基本科学效应,能够提升人类观测常重力大时空尺度多相介质运动过程能力,并且提供加速多相介质相间分离的极端物理条件。正是因为功能强大,超重力离心机被誉为地球上营造超重力环境的“革命性工具”。目前世界上离心机最大容量为1200g?t(重力加速度×吨)。

此次浙江大学牵头建设的超重力离心模拟与实验装置,是综合集成超重力离心机与力学激励、高压、高温等机载装置,将超重力场与极端环境叠加一体的大型复杂科学实验设施。团队用设施英文名称(Centrifugal Hypergravity and Interdisciplinary Experiment Facility)的首字母给它取了个名字,叫CHIEF,寓意着该项目成为超重力离心模拟与实验装置方面的翘楚,引领全球科学家深耕重大基础设施建设、深地深海资源开发与高性能材料研发。设施主要建设内容包括超重力离心机主机、超重力实验舱、超重力试验保障系统和配套设施。其中,两台超重力离心机主机,最大容量1900 g?t,最大离心加速度1500g,最大负载32t;另外还有边坡与高坝、岩土地震工程、深海工程、深地工程与环境、地质过程、材料制备共六座超重力实验舱。项目建设周期为5年,建成后,将填补我国超大容量超重力装置的空白,成为世界领先、应用范围最广的超重力多学科综合实验平台。

“CHIEF可以为研究岩土体和地球深部物质的时空演变、加速物质相分离提供必不可少的实验手段,为国家重大科技任务开展、重大工程新技术研发和验证、物质前沿科学发展,提供先进的试验平台和基础条件支撑,显著提升我国相关多学科领域的研究水平和国际竞争力?!背略泼粼菏看蛄烁霰确?,如果在超重力离心机上搭载污染物土中迁移实验装置,我们就可以看到污染物在地下大尺度、长历时的运移,可谓“山中方一日,世上已千年”。

总体而言,CHIEF将超重力离心机能力从国内400g?t级、国际最大1200g?t突破至1900g?t,具备单次实验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的实验能力。

针对CHIEF的建设与运行,陈云敏院士希望全球顶级的研究力量一道参与。他说,实验装置将面向多用户、多领域开放,开展科学研究和国内外交流,“国家重大科技基础设施理应为我国乃至全球超重力前沿科学研究和相关领域技术发展提供有力保障?!?/span>


六座超重力实验舱各显神通

超重力离心机和主要机载装置示意图

科学目标达成的第一步就是要在地球上产生一个超重力场。这也是CHIEF的第一部分超重力离心模拟装置的使命。超重力离心机通过转臂高速旋转在实验舱内产生离心加速度,舱内的物质就会受到离心力的影响?!暗比灰不故腔崾艿街亓铀俣鹊淖饔?,但是1g与离心加速度相比非常小,可以忽略?!背略泼粼菏拷馐?。

对于这样一个装置,或许可以从童年记忆中找到意象——旋转飞机,一种绕垂直轴中心旋转的飞机类游乐设备。当旋转速度超过一定值就产生了离心力,反映到人身上就是呼吸困难等。

有了超重力场,科学家就能在里面开展各类实验了,而具体的实验场所就是CHIEF6座超重力实验舱及18台机载装置。根据设计,科学家们可以全过程观测超重力环境下岩土体、地球深部物质、合金熔体等多相介质的物质运动;揭示岩土体大时空演变与成灾、地质过程演变与成岩成矿、合金熔体超重力凝固的机制,为重大基础设施建设、深地深海资源开发、高性能材料研发等提供基础支撑。

验证重大工程服役性能

我国正在形成越来越多的特大城市,正在规划建设一批大型水电站和核电站,重大工程建设规模居世界之首,许多新建重大工程在全球范围内未有先例,其服役性能与设计方案亟需实验验证。

○边坡与高坝实验舱

我国滑坡灾害频发,目前世界上仍没有公认的理论能够解释滑坡的高速、远程滑动过程。我国水力资源居世界第一,已建、在建和拟建高度超过200米的高坝占世界的50%。而梯级高坝是我国黄河、金沙江、雅砻江等水力资源开发的主要形式,他们的总落差达一二千米,总库容超过数百亿立方米,一旦一座大坝溃坝将造成多米诺效应的连溃,后果不堪设想。

我国一些重大工程尺度大且服役时间长,传统手段难以准确验证其有效性。因此,通过CHIEF,利用“时空压缩”效应开展超重力试验,突破滑坡预警和治理技术的发展,验证百米级高坝服役性能,为高烈度地震区的城市群规划及重大工程建设提供支撑。

○岩土地震工程实验舱

我国还是地震最活跃和地震灾害最严重的国家之一,场地岩土体是基岩地震向地面建筑物传播的媒介,地震动的场地效应、场地液化大变形和地震诱发滑坡等决定了建筑的震害程度。

CHIEF中的岩土地震工程实验舱提供了大负载单向振动台、世界上首座超重力三向振动台,将为研究复杂场地地震动演变规律和岩土体致灾效应提供国际一流的研究平台。

增强我国地球科学和材料科学研究的原始创新能力

相分离是地球深部物质和合金熔体等多相介质物质运动的基本过程,超重力的“相分离加速”效应有助于发现其中的新现象和新规律。

○地质过程实验舱

地球内部物质的运移和演变是人类的科学难题之一,CHIEF为研究地球深部岩浆房中结晶率、地幔中矿物的重力分异作用、板块俯冲脱水过程等问题提供新的研究思路和方法,进一步加深人类对地球内部多圈层形成演化过程的认识。

地质过程实验舱负责人、中国科学院院士、浙江大学地球科学学院教授杨树锋表示,长期以来,科研人员对于地球深部的研究缺少有效手段。地质演化有两个特点:时间跨度可长达百万年,空间范围变化大到千公里。要想在地球深部进一步寻找矿产和油气资源,就必须深入地下。CHIEF正好具有时空压缩效应,这为我们研究大时空跨度地质过程演变、寻找勘探矿产和油气资源提供了非常重要的手段。

○材料制备实验舱

新材料是高端制造业的基础,关系产业发展和国家安全。高通量材料制备技术是当今研究的重点。利用超重力相分离加速效应,我们能够制备不同微区成分、相结构和组织的大尺寸块体高通量样品,从而发现高性能材料。

材料制备实验舱负责人、中国科学院院士、浙江大学材料科学与工程学院张泽教授表示,由于没有离心力机载高温装置,我们无法在原子尺度研究体积力对元素和缺陷的扩散行为。有了CHIEF之后,虽然原子之间的化学键很强,但材料中仍存在微观缺陷,加载离心力之后,重量或大小不同的原子在这些缺陷处可能呈现不同的扩散行为,导致不同的固态相变,帮助我们得到一些在现今面积力实验条件下得不到的性能数据。这个项目营造的高温-离心载荷动态耦合加载极端条件,对于材料学中液-固相变、固-固相变等基础科学问题的研究以及依赖材料发展的其他学科都有很大的促进作用。

支撑我国能源和矿产资源开发向国际先进水平迈进

资源是全球经济社会发展面临的共同难题和挑战,目前千米深度以内浅层资源的勘探开发已逐步趋于极限,地球深部的资源勘探开发亟待发展。

○深海工程实验舱

深海天然气水合物资源被认为是一种储量巨大、21世纪最有潜力的替代能源。但是深海高压环境和复杂海床条件使得深海天然气水合物开采极为困难。超重力可以再现深海储层中天然气水合物的开采过程,模拟不同天然气水合物开采方法,为天然气水合物高效开采和灾害控制提供重要科学依据与实验支撑。

○深地工程与环境实验舱

深部资源开发、油气深地储存、二氧化碳地质封存和高放射性物质地质处置等成为我国能源地下开采、储备、放射性废物深地处置研究设施的建设过程中重要的科学研究方向。

这些实验舱都是根据国内外现状及发展需求来确定的,特别是针对国家重大战略需求,我们召开了10余次专家论证会,经过了24位院士、上百位专家学者的论证?!背略泼粼菏克?。


找茬”挖出48个问题

CHIEF的离心机容量世界最大,18台机载装置中有6台属于世界首创、12台技术指标国际领先,因此要做成这样一个“大家伙”,肯定困难重重,尤其是涉及48项关键技术。

陈云敏院士要求大家在正式开工之前把可能碰到的技术难题都提出来。过去的这一年,团队所做的正是这样一个有点类似“找茬”的预研工作。到现在为止,他们挖出了建设过程中会遇到的48项关键技术,也论证了项目从原理上是可行的。

很多人经常问陈云敏院士,项目何时开工,何时建成。他总是笑而不语。所谓内行看门道,业界有句话说,原理不行的技术上肯定不行,原理行的技术上不一定行,所以关键技术难题要先从科学原理上解决,并在此基础上通过试验证明技术上是可行的。

一方面要国际领先,另一方面又要技术成熟。这个难度用陈云敏院士自己的话说,“如果这个阶段没有发现问题,就会给今后的制造过程留下隐患,装置的目的可能就实现不了。只要有一个验收指标没有达到,整个项目就不能通过验收,想要调整都不可能?!比肥?,发现问题比解决问题更加重要,也更难。陈云敏院士让团队所有成员立下军令状,“谁没发现问题,谁负责?!?/span>

举个例子来说,要做一个装置,首先要有设计方案,里面会有各种各样的参数,这些参数不仅要通过数学推导出来,而且要经过试验论证是可行的。如果我们希望手的推力有100公斤,这需要包括腿、腰等在内的身体其他部位来一起实现。腿和腰也要有相应的力。这就需要我们设计各部分的技术参数。但即便各部分都达到要求了,组合起来可能还是会出现问题,参数取得太小,手的推力达不到,取得太大,腿就会很粗,造成其他问题。

在超重力离心机主机的预研过程中,他们就发现了一个类似问题。

转轴下面有电机,带动转臂高速转动,产生离心力。但是在旋转的过程中,当达到临界转速时,系统会发生共振,产生的晃动会降低转速,可能就无法达到设计的极限值。这有点类似小时候玩的陀螺,一旦产生晃动后,旋转速度就会降低。陈云敏院士打了个比方,超重力离心机主机就好像是一个挑着扁担在转圈的人,如何让他不“晕头转向”,就是在预研阶段要解决的难题。目前团队已经通过现有的ZJU400超重力离心机验证了这个问题。


边预研边出成果

建筑效果图

这一年来,团队不断地小试中试,提出难点问题,设计解决方案,验证方法和参数,“这是做工程的基本原则,用在工程上的设计方法和算法要通过试验验证过,才能使用?!?/span>

在预研的过程中,陈云敏团队做出了许多研究成果。其中的一个项目“高速铁路列车运行动力效应试验系统”入选2017年度“中国高等学校十大科技进展”。这个“在实验室里跑高铁”的项目,在可控条件下研究高速列车运行引起的线路路基动力效应,具有重要科学意义和工程价值。

高铁轮子传过去的荷载首先给轨道,再通过轨枕传给路面。在我国东南沿海深厚软土地区,高铁地基需要打入很深的桩才能控制住高铁的沉降,这个桩及上面的路基该怎么设计才能控制沉降呢?陈云敏院士团队的边学成教授在超重力大科学装置中就是专门负责超重力高铁加载装置的研发。他就想到在轨枕上直接布置加力的装置。这个装置将列车运行荷载转化为作用于一系列轨枕上的垂向动荷载,通过精确控制相邻激振器的加载相位差实现列车轮轴高速移动对路基的加载。

整个试验系统由列车运行加载激振器阵列、加载控制系统、全比尺线路模型和测试系统组成。有了这个装置,列车行驶就像在轨枕上弹钢琴,每个轨枕就是钢琴的键,压得越快代表轮子移动越快,从而实现高速移动荷载的加载。他们的实验结果显示与实际荷载基本一致。

“CHIEF研发出来可极大拓展我们的试验研究能力,做原来没法做的试验。当然难度也很高,需要我们多学科交叉共同发现问题解决问题?!北哐С伤?。

还有一项成果是关于近海工程研究的。海上大型构筑物往往受到不同方向的荷载。团队利用超重力场下的缩尺效应,研发了世界上首台超重力三向加载实验装置和国内首台超重力波浪模拟实验装置,能够模拟海上大型构筑物服役期间的波浪荷载和其它多向荷载,从而助力海上风力发电机等重大工程的设计和建造?!俺亓ι枋┱飧鱿钅烤拖袷歉龃笕勐?,我们一边预研,一边碰撞出新的火花?!苯ㄖこ萄г航淌谥毂笏?。

项目还没正式开建,就已经成果迭出,这听上去很新鲜。陈云敏院士说,超重力的环境是全新的,可以让大家脑洞大开,不受以往教科书知识的束缚,“这样一个极端环境促使大家带着问题去思考,老师和学生的思维就非?;钤??!?

当然预研只是万里长征的头几步。下一阶段,团队将对每台机载装置各个子系统的参数进行验证。


好奇心驱动下的创新研究

在报批过程中,项目得到了各方的大力支持。

教育部和浙江省政府建立了省部协同机制,共同指导、协调设施建设。省委书记车俊、省长袁家军、常务副省长冯飞高度重视设施项目。浙江大学成立了党委书记、校长为双组长的建设领导小组及常务副校长为总指挥的项目建设指挥部。指挥部下设指挥部办公室,作为项目建设的管理主体。学校成立浙江大学超重力研究中心,作为项目科学研究和技术攻关的主体,中心组建了10名院士为核心的科学与技术队伍,陈云敏院士任项目首席科学家。这其中的很多体制机制,都是在不断研讨过程中一步步形成的创新举措,成为建设国家重大科技基础设施项目的“浙大模式”。

大科学装置不是造大楼?!闭馐浅略泼粼菏砍K档幕?。他说大楼是为大科学装置服务,为装置运行提供环境,各方面要求都非常高。然而刚开始想找地方给这个大科学装置安个家却吃了闭门羹。

这也不奇怪,随着城市的不断发展,杭州也可谓是寸土寸金。兜兜转转之后,杭州市余杭区政府出面解决了问题,拿出了89亩用地,在科学研究与经济发展之间选择了前者。

余杭区正在打造成全面创新创业的引领区、策源地,我们希望能够通过校地合作,引进一流的科创项目和人才”,余杭区常务副区长陈夏林说,区政府是看到了基础研究的内在张力,因为大科学装置的建设项目会汇聚一批高科技人才,能为余杭区的科学含金量添不少分,而余杭区现有的科技氛围也能为今后团队依托大科学装置开展研究提供帮助,“余杭区会全力服务保障好大科学装置建设项目?!?/span>

大科学装置的研制,处处充满了创新,不像标准化仪器那样有据可依,一切都需要重新摸索。

陈云敏院士说,当初提出这个想法,也是出于对科学的好奇?!拔沂且桓龊闷嫘谋冉献愕娜?。在浙大的学习时光,让我感悟到自然和科学美,激起了我出于好奇心而产生的求知欲??蒲Ъ易畲蟮哪诙褪呛闷嫘?,超重力离心模拟与实验装置刚好可以验证我对于这方面的一些疑问?!?/span>

在团队成员眼中,CHIEF就是一个科学被好奇心驱动的地方。为了同样的好奇心,不论是院士,还是青年科研人员,都常常碰撞交流,一讨论就到凌晨两三点钟?!巴哦永锏募肝辉菏?,张泽、杨树锋、杨华勇,每一次论证会都抽出时间参加,讨论起来都是非常地投入?!?/span>

以问题为导向,是团队的一大研究特色。在这里,不同学科和领域都是基于超重力增大多相介质体积力和加快相分离的基本科学原理而汇聚到了一起,使得项目具有促进小学科之间、相邻学科之间、甚至不同大学科之间的相互交叉和融合的天然优势,为产生新思想、新方法、开辟新领域和建立新学科创造良好的环境。

在团队招聘时,陈云敏院士必问的一个话题就是“是否对科学有兴趣”,在他看来,兴趣和好奇心是激发研究热情、撬动地球杠杆的支点。他们也确实招到了一批名牌大学来的年轻人,多学科交叉的工程学科给了他们很大的平台。

放手支持他们去创新,完全可以做到一流?!背略泼粼菏亢苡行判?。

最近,还有一个方案已经列入了陈云敏院士的工作计划。他准备建立一个研究院,在培养学生的同时,把超重力基础研究中的科学新发现转变成技术,然后产业化。

(文 吴雅兰 柯溢能 金云云/摄影 卢绍庆 部分图片由团队提供)

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