會(huì)當(dāng)凌絕頂
——中物院總體所科學(xué)試驗(yàn)用離心機(jī)研制技術(shù)發(fā)展綜述

□ 唐賢平　宋 瓊

會(huì)當(dāng)凌絕頂
——中物院總體所科學(xué)試驗(yàn)用離心機(jī)研制技術(shù)發(fā)展綜述

□ 唐賢平宋 瓊

從20世紀(jì)60年代探索研制核武器離心試驗(yàn)設(shè)備開(kāi)始，中物院總體工程研究所的離心機(jī)研制歷程已走過(guò)50余載，伴隨著我國(guó)核武器的研制歷程而不斷發(fā)展。

中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所作為中物院的龍頭單位，負(fù)責(zé)戰(zhàn)略核武器戰(zhàn)斗部和高新技術(shù)武器的總體設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬、環(huán)境試驗(yàn)的研究工作。主要研究領(lǐng)域包括：武器系統(tǒng)工程與應(yīng)用、武器工程力學(xué)與材料應(yīng)用、環(huán)境試驗(yàn)與測(cè)控技術(shù)、先進(jìn)大型科學(xué)試驗(yàn)裝備研制等。

總體工程研究所依托工程設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬、環(huán)境試驗(yàn)三大支撐技術(shù)，積極開(kāi)發(fā)大型多功能離心機(jī)研制技術(shù)，確立了國(guó)內(nèi)大型多功能離心機(jī)研制方面的領(lǐng)先地位。至今已研制交付各類(lèi)離心機(jī)四十余臺(tái)，其中多臺(tái)離心機(jī)性能指標(biāo)處于國(guó)際領(lǐng)先水平：最大模擬加速度達(dá)到40000g，最大整機(jī)容量已達(dá)到1000g·t，最大加速度增長(zhǎng)率達(dá)到35g/s，持續(xù)加速度模擬最高精度達(dá)到10-6量級(jí)，加速度模擬自由度達(dá)到三個(gè)，實(shí)現(xiàn)了加速度、振動(dòng)、溫度、氣動(dòng)復(fù)合。這些裝置為我國(guó)多個(gè)型號(hào)戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)武器及戰(zhàn)機(jī)部組件檢測(cè)、定型提供了試驗(yàn)平臺(tái)，為我國(guó)多個(gè)重大水利、交通建設(shè)工程提供了工程設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)推動(dòng)我國(guó)國(guó)防科技事業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了巨大作用。

勇于擔(dān)當(dāng)不辱使命

在我國(guó)核武器設(shè)計(jì)之初，環(huán)境試驗(yàn)研究工作也同步開(kāi)始。20世紀(jì)60年代初，我國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，既無(wú)離心試驗(yàn)設(shè)備研制經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)積累，也無(wú)國(guó)外技術(shù)可以借鑒。中物院總體所人邊學(xué)習(xí)、邊試制，終于成功研制了可以滿足核武器進(jìn)行離心試驗(yàn)的科研設(shè)備，為“兩彈”成功爆炸作出了積極貢獻(xiàn)。60年代中期，在相關(guān)技術(shù)單位的支持之下，總體所依靠不懈努力成功研制出亞洲最大的1號(hào)離心機(jī)（10.8m半徑），并開(kāi)展了多個(gè)戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)武器以及戰(zhàn)機(jī)部組件檢測(cè)及定型試驗(yàn)。90年代，總體所研制出了技術(shù)性能?chē)?guó)內(nèi)領(lǐng)先的離心—?dú)鈩?dòng)—溫度復(fù)合型2號(hào)離心機(jī)。

至此，中物院總體的大型例行離心機(jī)研制完成技術(shù)積累，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，不僅可以滿足我國(guó)核武器研制需要，而且為航空、航天、兵器等軍工領(lǐng)域眾多新武器研制開(kāi)展離心試驗(yàn)提供了科研平臺(tái)。

抓住機(jī)遇脫穎而出

土工離心機(jī)是土力學(xué)研究中的重要設(shè)備，為土工離心模型試驗(yàn)提供了重要的研究手段，廣泛用于堤壩、隧道、建筑物基礎(chǔ)等的工程應(yīng)用研究，在探索各種自然現(xiàn)象的機(jī)理研究方面也有重要作用。由于大型交通、水利工程建設(shè)需要，20世紀(jì)70年代世界各地興起土工離心機(jī)的建設(shè)熱潮。我國(guó)80年代開(kāi)始研制土工離心機(jī)，并致力于發(fā)展我國(guó)自己的離心模擬技術(shù)。1990年，中物院體所研制出了第一臺(tái)土工離心機(jī)——25g.t土工離心機(jī)，并交付給原成都科技大學(xué)。1998年，總體所通過(guò)競(jìng)標(biāo)獲得了西南交通大學(xué)100g.t土工離心機(jī)研制項(xiàng)目，這是總體工程研究所研制的第一臺(tái)大型土工離心機(jī)。

2003年，同濟(jì)大學(xué)要建設(shè)全國(guó)第一臺(tái)大型復(fù)合離心機(jī)時(shí)，總體所在激烈的較量中成功中標(biāo)。這一臺(tái)復(fù)合離心機(jī)容量大、功能全、技術(shù)含量非常高，有許多技術(shù)難題需要解決?？傮w所成立技術(shù)攻關(guān)小組，組織集體攻關(guān)，經(jīng)過(guò)三年多的不懈努力，攻克一道道技術(shù)難題，終于在2006年將國(guó)內(nèi)唯一的大型復(fù)合離心機(jī)交付同濟(jì)大學(xué)。工程建成后被稱(chēng)為中國(guó)離心機(jī)研制的里程碑，總體所確立了國(guó)內(nèi)離心機(jī)研制的領(lǐng)先地位，此后又承擔(dān)了武漢長(zhǎng)江水科院、長(zhǎng)沙理工大學(xué)、浙江大學(xué)、成都理工大學(xué)、航天一院等單位的離心機(jī)工程。

厚積累全面發(fā)展

中物院總體工程研究所還積極開(kāi)發(fā)精密離心機(jī)和載人離心機(jī)，并確立了整個(gè)行業(yè)的龍頭地位。例行試驗(yàn)離心機(jī)是航空航天領(lǐng)域不可或缺的環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備之一，隨著大工業(yè)技術(shù)與試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，例行離心機(jī)向著特大型、高技術(shù)復(fù)合功能方向發(fā)展，試驗(yàn)產(chǎn)品從元器件級(jí)、部件級(jí)向整體級(jí)過(guò)渡，可滿足離心-振動(dòng)、離心-氣動(dòng)-溫度等復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)要求。中物院總體所離心機(jī)研制團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)新技術(shù)，成功研制了一系列例行試驗(yàn)離心機(jī)，有效半徑6m，容量100g.t離心機(jī)、有效半徑7.5m，容量400g. t的復(fù)合離心機(jī)、以及有效半徑8m，快加速能力達(dá)到10g/s的快加速離心機(jī)正在航空、航天等軍工集團(tuán)服役，一批國(guó)家重要型號(hào)武器都在這些離心機(jī)上開(kāi)展了大量的部件級(jí)考核與驗(yàn)證試驗(yàn)。目前正在研制的13m有效半徑、600g.t例行離心機(jī)，已經(jīng)完成主機(jī)的工程設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)將在3年內(nèi)完成全部的研制與調(diào)試工作，屆時(shí)將成為世界級(jí)的特大規(guī)模離心機(jī)。

在土工離心機(jī)研制領(lǐng)域，總體所2013年9月向成都理工大學(xué)交付了TLJ-500型土工離心機(jī)項(xiàng)目，這是國(guó)內(nèi)目前容量最大、功能最全的大型土工離心試驗(yàn)設(shè)備。其離心機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)是目前國(guó)際上性能指標(biāo)最先進(jìn)的離心機(jī)機(jī)載振動(dòng)臺(tái)之一，系統(tǒng)能夠在100g離心場(chǎng)下開(kāi)展振動(dòng)試驗(yàn)，可模擬原型模型體積達(dá)到60m3，地震波面積失真度：小于等于5%。該離心機(jī)的研制成功不僅填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大型土工試驗(yàn)離心機(jī)的空白，也標(biāo)志著我國(guó)大型離心機(jī)的研制技術(shù)邁上了新的臺(tái)階。

在精密離心機(jī)領(lǐng)域，20世紀(jì)90年代，中物院總體所離心機(jī)研制團(tuán)隊(duì)曾為中電26所等單位研制了多臺(tái)加速度相對(duì)不確定度為1×10-3的精密離心機(jī)。2009年，中物院總體所獲得了為本院電子工程研究所研制JML-100J高精度精密離心機(jī)項(xiàng)目，最大加速度100g，最大負(fù)載達(dá)10kg，加速度不確定度為10—5量級(jí)。2014年，產(chǎn)品順利通過(guò)驗(yàn)收交付使用。

2011年，總體所啟動(dòng)了“高精度慣性儀表校準(zhǔn)檢測(cè)裝置研制及應(yīng)用”項(xiàng)目，列入首批國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)。總體所攻關(guān)團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)完成了雙向大承載力高精度空氣軸承、精密電機(jī)、精密測(cè)量系統(tǒng)、微震動(dòng)隔震系統(tǒng)等核心部件，先后申請(qǐng)專(zhuān)利25項(xiàng)，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)加工制造、新材料等領(lǐng)域的多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步。目前，該離心機(jī)已達(dá)到最高載荷10kg、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度10-6、穩(wěn)態(tài)線加速度100g等領(lǐng)先指標(biāo)。它的研制成功填補(bǔ)了我國(guó)1g 100g量程范圍內(nèi)，加速度相對(duì)不確定度達(dá)到10-6量級(jí)的精密離心機(jī)空白。

載人離心機(jī)是目前唯一能在地面逼真模擬高性能戰(zhàn)機(jī)各種機(jī)動(dòng)動(dòng)作，可以有效提升飛行員加速度耐受能力、減少飛行事故、提升飛行員戰(zhàn)斗力的有效途徑，我國(guó)空軍1999年啟動(dòng)了高性能載人離心機(jī)的建設(shè)工作。2005年，時(shí)任中物院總體所所長(zhǎng)、現(xiàn)任中物院副院長(zhǎng)何穎波要求離心機(jī)研制團(tuán)隊(duì)迅即開(kāi)展載人離心機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究。2013年，中物院高性能載人離心機(jī)樣機(jī)研制項(xiàng)目立項(xiàng)，樣機(jī)的設(shè)計(jì)瞄準(zhǔn)滿足三、四代戰(zhàn)機(jī)飛行員訓(xùn)練的需求，除了各基礎(chǔ)指標(biāo)能涵蓋戰(zhàn)機(jī)性能指標(biāo)外，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間設(shè)計(jì)為80ms，優(yōu)于飛行模擬器相關(guān)國(guó)軍標(biāo)規(guī)定的150ms要求，與世界頂尖水平---美國(guó)ETC公司最新產(chǎn)品指標(biāo)相近。

團(tuán)隊(duì)在高動(dòng)態(tài)離心機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展了大型旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、離心場(chǎng)下多自由度運(yùn)動(dòng)控制、飛行載荷轉(zhuǎn)換等多項(xiàng)技術(shù)，完成了樣機(jī)設(shè)計(jì)。目前系統(tǒng)調(diào)試已進(jìn)入尾聲，樣機(jī)主要指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，預(yù)計(jì)2015年底完成飛行員上機(jī)測(cè)試。高性能載人離心機(jī)的制成功打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，填補(bǔ)了我國(guó)航空醫(yī)學(xué)大型科研訓(xùn)練裝備的空白，能有效滿足我國(guó)戰(zhàn)機(jī)飛行訓(xùn)練的迫切需要。

目前，總體所承擔(dān)的離心機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目有國(guó)內(nèi)指標(biāo)最先進(jìn)的振動(dòng)復(fù)合例行試驗(yàn)機(jī)、國(guó)內(nèi)精度最高的計(jì)量用精密離心機(jī)、國(guó)內(nèi)指標(biāo)最先進(jìn)的動(dòng)態(tài)慣性載荷模擬試驗(yàn)系統(tǒng)、國(guó)內(nèi)容量最大的土工離心機(jī)，已經(jīng)形成了全面的離心機(jī)研制能力。

礪鋒芒百煉成鋼

中物院總體工程研究所的離心機(jī)研制歷程已走過(guò)50余載，如今，在離心機(jī)裝備總體（系統(tǒng)）設(shè)計(jì)技術(shù)、高離心場(chǎng)下多功能復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模擬分析技術(shù)、大功率快加速拖動(dòng)控制技術(shù)、多軸精密運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)和高離心場(chǎng)下高精度檢測(cè)技術(shù)等方面的技術(shù)水平達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際一流。

勇于創(chuàng)新支撐著團(tuán)隊(duì)不斷前行。

團(tuán)隊(duì)針對(duì)高動(dòng)態(tài)離心機(jī)、振動(dòng)離心機(jī)等的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了大膽創(chuàng)新探索，如在高動(dòng)態(tài)離心機(jī)上使用了新的轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)形式、新的機(jī)械加工工藝；在振動(dòng)離心機(jī)上，采用了新材料以及新的減震結(jié)構(gòu)方案；在綜合環(huán)境試驗(yàn)離心機(jī)上，采用了新的設(shè)計(jì)方法和新的測(cè)試靜態(tài)力矩平衡結(jié)構(gòu)。這些新技術(shù)、新方法、新工藝、新材料的應(yīng)用，大大提高了離心機(jī)的研制水平。

敢于突破是團(tuán)隊(duì)屹立業(yè)界的法寶。每一臺(tái)新型離心機(jī)的研制對(duì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)都是一次新的挑戰(zhàn)。成都理工大學(xué)離心機(jī)上一維激振系統(tǒng)項(xiàng)目，團(tuán)隊(duì)通過(guò)創(chuàng)造性的分析與設(shè)計(jì)，形成了一套全新的技術(shù)方案，擊敗了歐美日等國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，成功中標(biāo)。在“JML-100J計(jì)量用高精度精密離心機(jī)”項(xiàng)目中，成功替代進(jìn)口。

面向未來(lái)使團(tuán)隊(duì)始終保持著國(guó)內(nèi)的行業(yè)領(lǐng)路者。團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)等單位聯(lián)合申報(bào)了“十二五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，積極籌劃1000g.t容量以上的巨型離心機(jī)、離心場(chǎng)下三維地震模擬裝置和動(dòng)態(tài)飛行模擬器的技術(shù)攻關(guān)工作。為適應(yīng)國(guó)家海洋戰(zhàn)略發(fā)展需要，2012年，中物院總體所聯(lián)合清華大學(xué)申報(bào)了世界首創(chuàng)的“海工離心機(jī)”，容量達(dá)到3000g.t，同時(shí)具備波流、浪振等復(fù)合試驗(yàn)功能。

歷經(jīng)數(shù)十個(gè)離心機(jī)項(xiàng)目研制的錘煉，一批領(lǐng)軍人才和科研骨干茁壯成長(zhǎng)?，F(xiàn)任中物院副院長(zhǎng)何穎波研究員，曾任中物院總體工程研究所所長(zhǎng)，是工程力學(xué)專(zhuān)家，也是總體所離心機(jī)事業(yè)和軍民融合事業(yè)的重要推動(dòng)者。當(dāng)總體所離心機(jī)事業(yè)面臨困境之時(shí)，他果斷決定研制復(fù)合離心機(jī)系統(tǒng)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，確立了總體所在土工離心機(jī)領(lǐng)域的主導(dǎo)地位；當(dāng)離心機(jī)事業(yè)步入快車(chē)道之時(shí)，他提出了利用多學(xué)科專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)，解決國(guó)內(nèi)高端裝備自主可控的發(fā)展思路，并決定了拓展載人離心機(jī)領(lǐng)域，為離心機(jī)技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了更加廣闊的天地?？傮w所離心機(jī)領(lǐng)域高級(jí)專(zhuān)家黎啟勝研究員，先后擔(dān)任所副總工程師、所黨委書(shū)記等職務(wù)。他長(zhǎng)期從事離心機(jī)技術(shù)研究及工程研制，是家重大科學(xué)儀器項(xiàng)目“高精度慣性儀表校準(zhǔn)檢測(cè)裝置研制”的首席專(zhuān)家，是數(shù)十項(xiàng)國(guó)家、院所級(jí)裝備研制項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，是國(guó)內(nèi)離心機(jī)行業(yè)的知名專(zhuān)家。

目前，中物院總體所已形成一支以黎啟勝為領(lǐng)軍人物的離心機(jī)研制團(tuán)隊(duì)，有研究員9人，高級(jí)工程師32人，其中博士15人、碩士56人。這支團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成長(zhǎng)為中國(guó)離心機(jī)研制領(lǐng)域的核心力量。

謀劃長(zhǎng)遠(yuǎn)引領(lǐng)未來(lái)

目前，總體所承擔(dān)的離心機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目有12項(xiàng)，合同金額1.6億元，論證中的項(xiàng)目有9個(gè)，預(yù)計(jì)研制經(jīng)費(fèi)達(dá)7億元。

隨著國(guó)家實(shí)力的提升，國(guó)家安全需求提升到新高度，對(duì)離心機(jī)也提出了更多更高的需求。巨型土工離心機(jī)作為300米以上高壩安全性、千米級(jí)深地深海工程、百年跨度地下環(huán)境污染、平方公里尺度城市地震安全、千米尺度飛行器撞擊及高能爆炸研究方面重要的科研平臺(tái)，已經(jīng)列入國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃；載人離心機(jī)是高機(jī)動(dòng)戰(zhàn)機(jī)飛行員訓(xùn)練的必備裝備，目前我國(guó)僅有一套還是十年前引進(jìn)的，載人離心機(jī)國(guó)產(chǎn)化是建設(shè)強(qiáng)大空軍必然要求。同時(shí)，總體工程研究所積極開(kāi)展載人離心機(jī)的軍貿(mào)工作，目前已有國(guó)外軍方表達(dá)了采購(gòu)意向。團(tuán)隊(duì)將瞄準(zhǔn)離心式動(dòng)態(tài)飛行模擬器等關(guān)系國(guó)家安全的重大裝備，聯(lián)合國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)單位共同開(kāi)展需求識(shí)別、可行性論證以及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，完成理論提升、技術(shù)突破。比如，利用成都“工程科學(xué)創(chuàng)新與研發(fā)中心”的離心式動(dòng)態(tài)飛行模擬器樣機(jī)，聯(lián)合空軍相關(guān)單位，共同打造“空天醫(yī)學(xué)工程聯(lián)合試驗(yàn)室”；著力啟動(dòng)土工巨型離心機(jī)的立項(xiàng)申請(qǐng)工作，積極推動(dòng)海工巨型離心機(jī)的立項(xiàng)申請(qǐng)工作。

會(huì)當(dāng)凌絕頂，一覽眾山小。中物院總體所離心機(jī)研制團(tuán)隊(duì)將始終秉承“鑄國(guó)防基石、做民族脊梁”的核心價(jià)值觀，充分依托綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)，充分調(diào)動(dòng)和發(fā)揮團(tuán)隊(duì)的集體智慧，以推動(dòng)我國(guó)離心機(jī)試驗(yàn)裝置研發(fā)技術(shù)趕上和超過(guò)世界先進(jìn)水平為己任，努力建設(shè)成國(guó)際一流水平的科學(xué)試驗(yàn)用離心機(jī)研究基地、離心機(jī)技術(shù)應(yīng)用基地和人才培養(yǎng)基地，成為復(fù)雜環(huán)境模擬解決方案的提供單位，離心機(jī)應(yīng)用相關(guān)新技術(shù)、新方法驗(yàn)證的檢測(cè)基地，不斷滿足我國(guó)國(guó)防科技事業(yè)發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要。