會當凌絕頂
——中物院總體所科學試驗用離心機研制技術發展綜述

□ 唐賢平　宋 瓊

會當凌絕頂
——中物院總體所科學試驗用離心機研制技術發展綜述

□ 唐賢平宋 瓊

從20世紀60年代探索研制核武器離心試驗設備開始，中物院總體工程研究所的離心機研制歷程已走過50余載，伴隨著我國核武器的研制歷程而不斷發展。

中國工程物理研究院總體工程研究所作為中物院的龍頭單位，負責戰略核武器戰斗部和高新技術武器的總體設計、數值模擬、環境試驗的研究工作。主要研究領域包括：武器系統工程與應用、武器工程力學與材料應用、環境試驗與測控技術、先進大型科學試驗裝備研制等。

總體工程研究所依托工程設計、數值模擬、環境試驗三大支撐技術，積極開發大型多功能離心機研制技術，確立了國內大型多功能離心機研制方面的領先地位。至今已研制交付各類離心機四十余臺，其中多臺離心機性能指標處于國際領先水平：最大模擬加速度達到40000g，最大整機容量已達到1000g·t，最大加速度增長率達到35g/s，持續加速度模擬最高精度達到10-6量級，加速度模擬自由度達到三個，實現了加速度、振動、溫度、氣動復合。這些裝置為我國多個型號戰略、戰術武器及戰機部組件檢測、定型提供了試驗平臺，為我國多個重大水利、交通建設工程提供了工程設計驗證平臺，對推動我國國防科技事業和國民經濟發展發揮了巨大作用。

勇于擔當不辱使命

在我國核武器設計之初，環境試驗研究工作也同步開始。20世紀60年代初，我國工業基礎薄弱，既無離心試驗設備研制經驗及技術積累，也無國外技術可以借鑒。中物院總體所人邊學習、邊試制，終于成功研制了可以滿足核武器進行離心試驗的科研設備，為“兩彈”成功爆炸作出了積極貢獻。60年代中期，在相關技術單位的支持之下，總體所依靠不懈努力成功研制出亞洲最大的1號離心機（10.8m半徑），并開展了多個戰略、戰術武器以及戰機部組件檢測及定型試驗。90年代，總體所研制出了技術性能國內領先的離心—氣動—溫度復合型2號離心機。

至此，中物院總體的大型例行離心機研制完成技術積累，達到國內領先水平，不僅可以滿足我國核武器研制需要，而且為航空、航天、兵器等軍工領域眾多新武器研制開展離心試驗提供了科研平臺。

抓住機遇脫穎而出

土工離心機是土力學研究中的重要設備，為土工離心模型試驗提供了重要的研究手段，廣泛用于堤壩、隧道、建筑物基礎等的工程應用研究，在探索各種自然現象的機理研究方面也有重要作用。由于大型交通、水利工程建設需要，20世紀70年代世界各地興起土工離心機的建設熱潮。我國80年代開始研制土工離心機，并致力于發展我國自己的離心模擬技術。1990年，中物院體所研制出了第一臺土工離心機——25g.t土工離心機，并交付給原成都科技大學。1998年，總體所通過競標獲得了西南交通大學100g.t土工離心機研制項目，這是總體工程研究所研制的第一臺大型土工離心機。

2003年，同濟大學要建設全國第一臺大型復合離心機時，總體所在激烈的較量中成功中標。這一臺復合離心機容量大、功能全、技術含量非常高，有許多技術難題需要解決。總體所成立技術攻關小組，組織集體攻關，經過三年多的不懈努力，攻克一道道技術難題，終于在2006年將國內唯一的大型復合離心機交付同濟大學。工程建成后被稱為中國離心機研制的里程碑，總體所確立了國內離心機研制的領先地位，此后又承擔了武漢長江水科院、長沙理工大學、浙江大學、成都理工大學、航天一院等單位的離心機工程。

厚積累全面發展

中物院總體工程研究所還積極開發精密離心機和載人離心機，并確立了整個行業的龍頭地位。例行試驗離心機是航空航天領域不可或缺的環境模擬試驗設備之一，隨著大工業技術與試驗技術的發展，例行離心機向著特大型、高技術復合功能方向發展，試驗產品從元器件級、部件級向整體級過渡，可滿足離心-振動、離心-氣動-溫度等復合環境試驗要求。中物院總體所離心機研制團隊不斷創新技術，成功研制了一系列例行試驗離心機，有效半徑6m，容量100g.t離心機、有效半徑7.5m，容量400g. t的復合離心機、以及有效半徑8m，快加速能力達到10g/s的快加速離心機正在航空、航天等軍工集團服役，一批國家重要型號武器都在這些離心機上開展了大量的部件級考核與驗證試驗。目前正在研制的13m有效半徑、600g.t例行離心機，已經完成主機的工程設計，預計將在3年內完成全部的研制與調試工作，屆時將成為世界級的特大規模離心機。

在土工離心機研制領域，總體所2013年9月向成都理工大學交付了TLJ-500型土工離心機項目，這是國內目前容量最大、功能最全的大型土工離心試驗設備。其離心機振動系統是目前國際上性能指標最先進的離心機機載振動臺之一，系統能夠在100g離心場下開展振動試驗，可模擬原型模型體積達到60m3，地震波面積失真度：小于等于5%。該離心機的研制成功不僅填補了國內大型土工試驗離心機的空白，也標志著我國大型離心機的研制技術邁上了新的臺階。

在精密離心機領域，20世紀90年代，中物院總體所離心機研制團隊曾為中電26所等單位研制了多臺加速度相對不確定度為1×10-3的精密離心機。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高精度精密離心機項目，最大加速度100g，最大負載達10kg，加速度不確定度為10—5量級。2014年，產品順利通過驗收交付使用。

2011年，總體所啟動了“高精度慣性儀表校準檢測裝置研制及應用”項目，列入首批國家重大科學儀器設備開發專項。總體所攻關團隊自主設計完成了雙向大承載力高精度空氣軸承、精密電機、精密測量系統、微震動隔震系統等核心部件，先后申請專利25項，推動了國內加工制造、新材料等領域的多項技術進步。目前，該離心機已達到最高載荷10kg、相對標準不確定度10-6、穩態線加速度100g等領先指標。它的研制成功填補了我國1g 100g量程范圍內，加速度相對不確定度達到10-6量級的精密離心機空白。

載人離心機是目前唯一能在地面逼真模擬高性能戰機各種機動動作，可以有效提升飛行員加速度耐受能力、減少飛行事故、提升飛行員戰斗力的有效途徑，我國空軍1999年啟動了高性能載人離心機的建設工作。2005年，時任中物院總體所所長、現任中物院副院長何穎波要求離心機研制團隊迅即開展載人離心機關鍵技術研究。2013年，中物院高性能載人離心機樣機研制項目立項，樣機的設計瞄準滿足三、四代戰機飛行員訓練的需求，除了各基礎指標能涵蓋戰機性能指標外，系統動態響應時間設計為80ms，優于飛行模擬器相關國軍標規定的150ms要求，與世界頂尖水平---美國ETC公司最新產品指標相近。

團隊在高動態離心機研制經驗基礎上，進一步發展了大型旋轉結構優化設計、離心場下多自由度運動控制、飛行載荷轉換等多項技術，完成了樣機設計。目前系統調試已進入尾聲，樣機主要指標達到國際先進水平，預計2015年底完成飛行員上機測試。高性能載人離心機的制成功打破了國外技術壟斷，填補了我國航空醫學大型科研訓練裝備的空白，能有效滿足我國戰機飛行訓練的迫切需要。

目前，總體所承擔的離心機設計開發項目有國內指標最先進的振動復合例行試驗機、國內精度最高的計量用精密離心機、國內指標最先進的動態慣性載荷模擬試驗系統、國內容量最大的土工離心機，已經形成了全面的離心機研制能力。

礪鋒芒百煉成鋼

中物院總體工程研究所的離心機研制歷程已走過50余載，如今，在離心機裝備總體（系統）設計技術、高離心場下多功能復雜結構設計和模擬分析技術、大功率快加速拖動控制技術、多軸精密運動控制技術和高離心場下高精度檢測技術等方面的技術水平達到國內領先、國際一流。

勇于創新支撐著團隊不斷前行。

團隊針對高動態離心機、振動離心機等的設計技術進行了大膽創新探索，如在高動態離心機上使用了新的轉臂結構形式、新的機械加工工藝；在振動離心機上，采用了新材料以及新的減震結構方案；在綜合環境試驗離心機上，采用了新的設計方法和新的測試靜態力矩平衡結構。這些新技術、新方法、新工藝、新材料的應用，大大提高了離心機的研制水平。

敢于突破是團隊屹立業界的法寶。每一臺新型離心機的研制對團隊來說都是一次新的挑戰。成都理工大學離心機上一維激振系統項目，團隊通過創造性的分析與設計，形成了一套全新的技術方案，擊敗了歐美日等國外競爭對手，成功中標。在“JML-100J計量用高精度精密離心機”項目中，成功替代進口。

面向未來使團隊始終保持著國內的行業領路者。團隊與浙江大學等單位聯合申報了“十二五”國家重大科技基礎設施項目，積極籌劃1000g.t容量以上的巨型離心機、離心場下三維地震模擬裝置和動態飛行模擬器的技術攻關工作。為適應國家海洋戰略發展需要，2012年，中物院總體所聯合清華大學申報了世界首創的“海工離心機”，容量達到3000g.t，同時具備波流、浪振等復合試驗功能。

歷經數十個離心機項目研制的錘煉，一批領軍人才和科研骨干茁壯成長。現任中物院副院長何穎波研究員，曾任中物院總體工程研究所所長，是工程力學專家，也是總體所離心機事業和軍民融合事業的重要推動者。當總體所離心機事業面臨困境之時，他果斷決定研制復合離心機系統，填補國內空白，確立了總體所在土工離心機領域的主導地位；當離心機事業步入快車道之時，他提出了利用多學科專業優勢，解決國內高端裝備自主可控的發展思路，并決定了拓展載人離心機領域，為離心機技術的發展開辟了更加廣闊的天地。總體所離心機領域高級專家黎啟勝研究員，先后擔任所副總工程師、所黨委書記等職務。他長期從事離心機技術研究及工程研制，是家重大科學儀器項目“高精度慣性儀表校準檢測裝置研制”的首席專家，是數十項國家、院所級裝備研制項目的負責人，是國內離心機行業的知名專家。

目前，中物院總體所已形成一支以黎啟勝為領軍人物的離心機研制團隊，有研究員9人，高級工程師32人，其中博士15人、碩士56人。這支團隊已經成長為中國離心機研制領域的核心力量。

謀劃長遠引領未來

目前，總體所承擔的離心機設計開發項目有12項，合同金額1.6億元，論證中的項目有9個，預計研制經費達7億元。

隨著國家實力的提升，國家安全需求提升到新高度，對離心機也提出了更多更高的需求。巨型土工離心機作為300米以上高壩安全性、千米級深地深海工程、百年跨度地下環境污染、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，已經列入國家中長期科技發展規劃；載人離心機是高機動戰機飛行員訓練的必備裝備，目前我國僅有一套還是十年前引進的，載人離心機國產化是建設強大空軍必然要求。同時，總體工程研究所積極開展載人離心機的軍貿工作，目前已有國外軍方表達了采購意向。團隊將瞄準離心式動態飛行模擬器等關系國家安全的重大裝備，聯合國內優勢單位共同開展需求識別、可行性論證以及關鍵技術攻關，完成理論提升、技術突破。比如，利用成都“工程科學創新與研發中心”的離心式動態飛行模擬器樣機，聯合空軍相關單位，共同打造“空天醫學工程聯合試驗室”；著力啟動土工巨型離心機的立項申請工作，積極推動海工巨型離心機的立項申請工作。

會當凌絕頂，一覽眾山小。中物院總體所離心機研制團隊將始終秉承“鑄國防基石、做民族脊梁”的核心價值觀，充分依托綜合技術優勢，充分調動和發揮團隊的集體智慧，以推動我國離心機試驗裝置研發技術趕上和超過世界先進水平為己任，努力建設成國際一流水平的科學試驗用離心機研究基地、離心機技術應用基地和人才培養基地，成為復雜環境模擬解決方案的提供單位，離心機應用相關新技術、新方法驗證的檢測基地，不斷滿足我國國防科技事業發展和國民經濟建設的需要。