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地球是一个美丽的星球,之所以山环水绕、云霞飞舞,都是因为重力的存在。自然状态下,重力使固、液体混合物沉降、澄清、富集、分离,即便是高达几十米的水利大坝,经过几十年重力作用,也会产生沉降。重力对于天空飞行物体一样产生影响,导弹、飞机、火箭等高速运动的物体在实际运行过程中往往会经受到几倍乃至百倍于地球重力的过载作用。
人类在与自然和谐共生的进程中,充分利用大自然的神奇力量,来推进人类文明的进程。离心机利用高速旋转的转臂(台)产生若干倍数于重力的离心力模拟产品(人)所承受的力学环境,开展科学研究、试验检测,推进科技进步。目前,世界上开展科学试验用的离心机主要有:应用于交通、水利等行业的土工离心机,应用于航天军工行业的例行离心机和精密离心机,应用于空军的载人离心机。
长期以来,中国工程物理研究院总体工程研究所(下文简称为“总体所”)利用先进的军工技术主动参与国民经济建设主战场,依托工程设计、数值模拟、环境试验三大支撑技术,积极开发大型多功能离心机研制技术,确立了在国内大型多功能离心机研制方面的领先地位,至今已研制交付各类离心机四十余台,其中多台离心机性能指标处于国际领先水平:最大模拟加速度达到40000g(1g=9.8m/s2),最大整机容量已达到1000gt,最大加速度增长率达到35g/s,持续加速度模拟最高精度达到10-6量级,加速度模拟自由度达到三个,实现了加速度、振动、温度、气动复合。这些装置为我国多个型号战略、战术武器及战机部组件检测、定型提供了试验平台,为我国多个重大水利、交通建设工程提供了工程设计验证平台,对推动我国国防科技事业和国民经济的发展发挥了巨大作用。
一、勇担当不辱使命
核武器设计之初,环境试验研究工作也同步开始。在当时国内并无成熟离心试验设备的情况下,总体所人开始了研制离心试验设备的探索,但探索之路充满了荆棘和艰辛。
在六十年代初的中国,工业基础十分薄弱,既无离心试验设备研制经验及技术积累,也无国外相关技术可以学习借鉴,总体所人以研制核武器的无畏勇气,边学习、边试制,于上世纪60年代中期开始探索研制大型例行离心机,在全国相关技术单位的支持之下,依靠自身的不懈努力,成功研制了亚洲最大的1号离心机(10.8m半径),开展了我国多个战略、战术武器以及战机部组件检测及定型试验。为了满足核武器事业的发展需要,上世纪90年代,总体所又成功研制了技术性能国内领先的离心—气动—温度复合型2号离心机。至此,总体所完成了大型例行离心机研制的技术积累,具有国内领先的例行离心机研制技术,研制的大型离心机不仅可以满足我国核武器研制需要,而且为航空、航天、兵器等多个军工领域的众多新武器研制开展离心试验提供了科研平台。
二、抓机遇脱颖而出
上世纪70年代,由于大型交通、水利工程建设需要,世界上兴起了土工离心机的建设热潮。土工离心机是土力学研究中的重要设备,为土工离心模型试验提供了重要的研究手段,广泛用于堤坝、边坡地基基础挡土结构、路基、隧道、建筑物基础等方面的工程应用研究,作为评估岩土工程设计结果的合理性、安全性和经济性等的重要设备,并在探索各种自然现象的机理,如地震、大地构造、异常地质形成等研究方面,进一步拓宽应用范围,取得了可喜的成果。因此,上世纪80年代以来,土工离心模型试验在设备的数量、容量以及技术和应用领域都有了迅速的发展,成为岩土力学的新的学科前沿和焦点。
我国从20世纪80年代开始正式着手研制土工离心机,并致力于发展我国自己的离心模拟技术。总体所敏锐地捕捉到这一离心机发展趋势,利用20多年应用和研制离心机的经验,投入力量,积极开发研制土工离心机。总体所研制的第一台土工离心机是1990年交付原成都科技大学的25g.t土工离心机。虽然这只是一台小型土工离心机,但总体所通过研制积累了很好的土工离心机研制技术和经验。
1998年,总体所通过多轮交流、谈判、竞标,获得了西南交通大学100g.t土工离心机研制项目。这台设备是总体工程研究所研制的第一台大型土工离心机,它是一台集自动化控制、高精度静、动态数采及定点摄像摄影等多功能于一体的大型土工试验设备。为保证离心机在复合状态下运转中的转臂稳定性,最少的功率消耗,机电系统良好的匹配,振动与噪音的控制与隔离,总体结构采用了三层布局结构的形式和有限空间运行设计技术,应用无损联接、硬齿面磨齿减速箱等技术,提高了主机的传动效率。
但真正让总体所在土工离心机研制领域迈上新台阶,步入发展快车道的标志是承担同济大学大型复合离心机项目。新世纪伊始,国家为了重点办好一批高水平高等院校,启动并实施了“211工程”和“985工程”,增加了对入选两个工程院校的投入,兴建一批重要科研设施。总体所敏锐地捕捉到这一战机,决心在高校离心机项目上有所斩获。2003年,当得知同济大学土木学院要建设全国第一台大型复合离心机时,总体所做了认真而全面的准备,在激烈的较量中,总体所成功中标。但中标的喜悦十分短暂,紧接着就面临一场前所未有的巨大考验。因为同济大学这一台复合离心机容量大、功能全(带振动台和机械手)、技术含量非常高,许多技术难题需要解决,如振动台以前都是安装在地面的,而这个振动台是整个离心机系统的一个重要组成部分,需要在高重力场下克服重力加速度,又如机械手在高重力场下的移动、定位、位置测量及准确控制等等。在这关键时刻,所领导决定整合全所力量,成立了技术攻关小组,组织集体攻关。经过团队科研人员三年多时间的不懈努力,终于攻克了一道道技术难关,于2006年将国内唯一、国际先进的大型复合离心机交付同济大学使用。此工程建成后,得到了教育界的高度评价,称为中国离心机研制的一座里程碑,作为一项标志性工程载入史册,总体所在国内离心机研制的领先地位从此确立。
经过研制同济大学大型复合离心机一役的锤炼,总体所在离心机研制方面的技术得到极大提升,在国内的影响也显著扩大。在随后国内一系列技术难度更大、要求更高的大型离心机项目的招投标中,总体所全胜而归,不仅战胜国内同行,而且将国外同行挑落马下,先后承担了武汉长江水科院、长沙理工大学、浙江大学、成都理工大学、航天一院等单位的离心机工程。
三、厚积累全面发展