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超重力,給人全新的時空思維

發布時間:2019-01-18來源:浙大新聞辦作者:吳雅蘭 柯溢能 金云云 盧紹慶5704

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頭都爛掉了。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。

近日,國家發展和改革委員會批復了這個大科學裝置的可行性研究報告。從項目建議書批復至今的一年多里,浙大的科學家團隊在忙什么?這個大裝置進展如何?最近記者采訪了陳云敏院士。


山中一日,世上千年”的神奇效應

地球表面的任何物體都受到地球重力的作用,即受到地球的引力和地球自轉引起的慣性離心力的合力的作用。從被牛頓關注的那個蘋果落地開始,人類對重力的研究就沒有停止過。科學家們把地球上重力場叫常重力場,1g≈9.8m/s2,大于1個g的叫作超重力。

超重力是怎樣一種體驗呢?神舟十一號航天員陳冬這樣描述:“飛船上升時,重力加速度在5.5g,返回時在4g左右,而我們訓練時要達到8g。像我70公斤,就是870公斤壓在我身上,要能頂得住。普通成年人能承受4g已經很不錯了,如果是8g,會壓得胸痛,無法呼吸。”

顯然,在超重力環境下,會發生我們平常看不到的神奇效應。首先,超重力增大了物質的體積力,能產生縮尺作用。舉個例子,想知道100層樓高的房子對地基的影響,那么我們只需要造一層樓高的模型,在100g的超重力作用下,就能模擬100層樓的效果。其次,超重力場加速了不同物質之間的相對運動的驅動力,從而產生縮時作用。比如超重力場下的爆氣試驗,超重力增大了氣泡的運動速度,加速了相分離。

營造超重力場模擬常重力多相介質的物質運動過程,具有時空壓縮、能量強化和加速相分離三種基本科學效應,能夠提升人類觀測常重力大時空尺度多相介質運動過程能力,并且提供加速多相介質相間分離的極端物理條件。正是因為功能強大,超重力離心機被譽為地球上營造超重力環境的“革命性工具”。目前世界上離心機最大容量為1200g?t(重力加速度×噸)。

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1900 g?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。

針對CHIEF的建設與運行,陳云敏院士希望全球頂級的研究力量一道參與。他說,實驗裝置將面向多用戶、多領域開放,開展科學研究和國內外交流,“國家重大科技基礎設施理應為我國乃至全球超重力前沿科學研究和相關領域技術發展提供有力保障。”


六座超重力實驗艙各顯神通

超重力離心機和主要機載裝置示意圖

科學目標達成的第一步就是要在地球上產生一個超重力場。這也是CHIEF的第一部分超重力離心模擬裝置的使命。超重力離心機通過轉臂高速旋轉在實驗艙內產生離心加速度,艙內的物質就會受到離心力的影響。“當然也還是會受到重力加速度的作用,但是1g與離心加速度相比非常小,可以忽略。”陳云敏院士解釋。

對于這樣一個裝置,或許可以從童年記憶中找到意象——旋轉飛機,一種繞垂直軸中心旋轉的飛機類游樂設備。當旋轉速度超過一定值就產生了離心力,反映到人身上就是呼吸困難等。

有了超重力場,科學家就能在里面開展各類實驗了,而具體的實驗場所就是CHIEF6座超重力實驗艙及18臺機載裝置。根據設計,科學家們可以全過程觀測超重力環境下巖土體、地球深部物質、合金熔體等多相介質的物質運動;揭示巖土體大時空演變與成災、地質過程演變與成巖成礦、合金熔體超重力凝固的機制,為重大基礎設施建設、深地深海資源開發、高性能材料研發等提供基礎支撐。

驗證重大工程服役性能

我國正在形成越來越多的特大城市,正在規劃建設一批大型水電站和核電站,重大工程建設規模居世界之首,許多新建重大工程在全球范圍內未有先例,其服役性能與設計方案亟需實驗驗證。

○邊坡與高壩實驗艙

我國滑坡災害頻發,目前世界上仍沒有公認的理論能夠解釋滑坡的高速、遠程滑動過程。我國水力資源居世界第一,已建、在建和擬建高度超過200米的高壩占世界的50%。而梯級高壩是我國黃河、金沙江、雅礱江等水力資源開發的主要形式,他們的總落差達一二千米,總庫容超過數百億立方米,一旦一座大壩潰壩將造成多米諾效應的連潰,后果不堪設想。

我國一些重大工程尺度大且服役時間長,傳統手段難以準確驗證其有效性。因此,通過CHIEF,利用“時空壓縮”效應開展超重力試驗,突破滑坡預警和治理技術的發展,驗證百米級高壩服役性能,為高烈度地震區的城市群規劃及重大工程建設提供支撐。

○巖土地震工程實驗艙

我國還是地震最活躍和地震災害最嚴重的國家之一,場地巖土體是基巖地震向地面建筑物傳播的媒介,地震動的場地效應、場地液化大變形和地震誘發滑坡等決定了建筑的震害程度。

CHIEF中的巖土地震工程實驗艙提供了大負載單向振動臺、世界上首座超重力三向振動臺,將為研究復雜場地地震動演變規律和巖土體致災效應提供國際一流的研究平臺。

增強我國地球科學和材料科學研究的原始創新能力

相分離是地球深部物質和合金熔體等多相介質物質運動的基本過程,超重力的“相分離加速”效應有助于發現其中的新現象和新規律。

○地質過程實驗艙

地球內部物質的運移和演變是人類的科學難題之一,CHIEF為研究地球深部巖漿房中結晶率、地幔中礦物的重力分異作用、板塊俯沖脫水過程等問題提供新的研究思路和方法,進一步加深人類對地球內部多圈層形成演化過程的認識。

地質過程實驗艙負責人、中國科學院院士、浙江大學地球科學學院教授楊樹鋒表示,長期以來,科研人員對于地球深部的研究缺少有效手段。地質演化有兩個特點:時間跨度可長達百萬年,空間范圍變化大到千公里。要想在地球深部進一步尋找礦產和油氣資源,就必須深入地下。CHIEF正好具有時空壓縮效應,這為我們研究大時空跨度地質過程演變、尋找勘探礦產和油氣資源提供了非常重要的手段。

○材料制備實驗艙

新材料是高端制造業的基礎,關系產業發展和國家安全。高通量材料制備技術是當今研究的重點。利用超重力相分離加速效應,我們能夠制備不同微區成分、相結構和組織的大尺寸塊體高通量樣品,從而發現高性能材料。

材料制備實驗艙負責人、中國科學院院士、浙江大學材料科學與工程學院張澤教授表示,由于沒有離心力機載高溫裝置,我們無法在原子尺度研究體積力對元素和缺陷的擴散行為。有了CHIEF之后,雖然原子之間的化學鍵很強,但材料中仍存在微觀缺陷,加載離心力之后,重量或大小不同的原子在這些缺陷處可能呈現不同的擴散行為,導致不同的固態相變,幫助我們得到一些在現今面積力實驗條件下得不到的性能數據。這個項目營造的高溫-離心載荷動態耦合加載極端條件,對于材料學中液-固相變、固-固相變等基礎科學問題的研究以及依賴材料發展的其他學科都有很大的促進作用。

支撐我國能源和礦產資源開發向國際先進水平邁進

資源是全球經濟社會發展面臨的共同難題和挑戰,目前千米深度以內淺層資源的勘探開發已逐步趨于極限,地球深部的資源勘探開發亟待發展。

○深海工程實驗艙

深海天然氣水合物資源被認為是一種儲量巨大、21世紀最有潛力的替代能源。但是深海高壓環境和復雜海床條件使得深海天然氣水合物開采極為困難。超重力可以再現深海儲層中天然氣水合物的開采過程,模擬不同天然氣水合物開采方法,為天然氣水合物高效開采和災害控制提供重要科學依據與實驗支撐。

○深地工程與環境實驗艙

深部資源開發、油氣深地儲存、二氧化碳地質封存和高放射性物質地質處置等成為我國能源地下開采、儲備、放射性廢物深地處置研究設施的建設過程中重要的科學研究方向。

這些實驗艙都是根據國內外現狀及發展需求來確定的,特別是針對國家重大戰略需求,我們召開了10余次專家論證會,經過了24位院士、上百位專家學者的論證。”陳云敏院士說。


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。”

舉個例子來說,要做一個裝置,首先要有設計方案,里面會有各種各樣的參數,這些參數不僅要通過數學推導出來,而且要經過試驗論證是可行的。如果我們希望手的推力有100公斤,這需要包括腿、腰等在內的身體其他部位來一起實現。腿和腰也要有相應的力。這就需要我們設計各部分的技術參數。但即便各部分都達到要求了,組合起來可能還是會出現問題,參數取得太小,手的推力達不到,取得太大,腿就會很粗,造成其他問題。

在超重力離心機主機的預研過程中,他們就發現了一個類似問題。

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

建筑效果圖

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。

還有一項成果是關于近海工程研究的。海上大型構筑物往往受到不同方向的荷載。團隊利用超重力場下的縮尺效應,研發了世界上首臺超重力三向加載實驗裝置和國內首臺超重力波浪模擬實驗裝置,能夠模擬海上大型構筑物服役期間的波浪荷載和其它多向荷載,從而助力海上風力發電機等重大工程的設計和建造。“超重力設施這個項目就像是個大熔爐,我們一邊預研,一邊碰撞出新的火花。”建筑工程學院教授朱斌說。

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。”

當然預研只是萬里長征的頭幾步。下一階段,團隊將對每臺機載裝置各個子系統的參數進行驗證。


好奇心驅動下的創新研究

在報批過程中,項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協同機制,共同指導、協調設施建設。省委書記車俊、省長袁家軍、常務副省長馮飛高度重視設施項目。浙江大學成立了黨委書記、校長為雙組長的建設領導小組及常務副校長為總指揮的項目建設指揮部。指揮部下設指揮部辦公室,作為項目建設的管理主體。學校成立浙江大學超重力研究中心,作為項目科學研究和技術攻關的主體,中心組建了10名院士為核心的科學與技術隊伍,陳云敏院士任項目首席科學家。這其中的很多體制機制,都是在不斷研討過程中一步步形成的創新舉措,成為建設國家重大科技基礎設施項目的“浙大模式”。

大科學裝置不是造大樓。”這是陳云敏院士常說的話。他說大樓是為大科學裝置服務,為裝置運行提供環境,各方面要求都非常高。然而剛開始想找地方給這個大科學裝置安個家卻吃了閉門羹。

這也不奇怪,隨著城市的不斷發展,杭州也可謂是寸土寸金。兜兜轉轉之后,杭州市余杭區政府出面解決了問題,拿出了89畝用地,在科學研究與經濟發展之間選擇了前者。

余杭區正在打造成全面創新創業的引領區、策源地,我們希望能夠通過校地合作,引進一流的科創項目和人才”,余杭區常務副區長陳夏林說,區政府是看到了基礎研究的內在張力,因為大科學裝置的建設項目會匯聚一批高科技人才,能為余杭區的科學含金量添不少分,而余杭區現有的科技氛圍也能為今后團隊依托大科學裝置開展研究提供幫助,“余杭區會全力服務保障好大科學裝置建設項目。”

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。

(文 吳雅蘭 柯溢能 金云云/攝影 盧紹慶 部分圖片由團隊提供)

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