会当凌绝顶——中物院总体所科学试验用离心机研制技术发展综述

□ 唐贤平　宋 琼

会当凌绝顶
——中物院总体所科学试验用离心机研制技术发展综述

□ 唐贤平宋 琼

从20世纪60年代探索研制核武器离心试验设备开始，中物院总体工程研究所的离心机研制历程已走过50余载，伴随着我国核武器的研制历程而不断发展。

中国工程物理研究院总体工程研究所作为中物院的龙头单位，负责战略核武器战斗部和高新技术武器的总体设计、数值模拟、环境试验的研究工作。主要研究领域包括：武器系统工程与应用、武器工程力学与材料应用、环境试验与测控技术、先进大型科学试验装备研制等。

总体工程研究所依托工程设计、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，最大整机容量已达到1000g·t，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发展发挥了巨大作用。

勇于担当不辱使命

在我国核武器设计之初，环境试验研究工作也同步开始。20世纪60年代初，我国工业基础薄弱，既无离心试验设备研制经验及技术积累，也无国外技术可以借鉴。中物院总体所人边学习、边试制，终于成功研制了可以满足核武器进行离心试验的科研设备，为“两弹”成功爆炸作出了积极贡献。60年代中期，在相关技术单位的支持之下，总体所依靠不懈努力成功研制出亚洲最大的1号离心机（10.8m半径），并开展了多个战略、战术武器以及战机部组件检测及定型试验。90年代，总体所研制出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，中物院总体的大型例行离心机研制完成技术积累，达到国内领先水平，不仅可以满足我国核武器研制需要，而且为航空、航天、兵器等军工领域众多新武器研制开展离心试验提供了科研平台。

抓住机遇脱颖而出

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、隧道、建筑物基础等的工程应用研究，在探索各种自然现象的机理研究方面也有重要作用。由于大型交通、水利工程建设需要，20世纪70年代世界各地兴起土工离心机的建设热潮。我国80年代开始研制土工离心机，并致力于发展我国自己的离心模拟技术。1990年，中物院体所研制出了第一台土工离心机——25g.t土工离心机，并交付给原成都科技大学。1998年，总体所通过竞标获得了西南交通大学100g.t土工离心机研制项目，这是总体工程研究所研制的第一台大型土工离心机。

2003年，同济大学要建设全国第一台大型复合离心机时，总体所在激烈的较量中成功中标。这一台复合离心机容量大、功能全、技术含量非常高，有许多技术难题需要解决。总体所成立技术攻关小组，组织集体攻关，经过三年多的不懈努力，攻克一道道技术难题，终于在2006年将国内唯一的大型复合离心机交付同济大学。工程建成后被称为中国离心机研制的里程碑，总体所确立了国内离心机研制的领先地位，此后又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。

厚积累全面发展

中物院总体工程研究所还积极开发精密离心机和载人离心机，并确立了整个行业的龙头地位。例行试验离心机是航空航天领域不可或缺的环境模拟试验设备之一，随着大工业技术与试验技术的发展，例行离心机向着特大型、高技术复合功能方向发展，试验产品从元器件级、部件级向整体级过渡，可满足离心-振动、离心-气动-温度等复合环境试验要求。中物院总体所离心机研制团队不断创新技术，成功研制了一系列例行试验离心机，有效半径6m，容量100g.t离心机、有效半径7.5m，容量400g. t的复合离心机、以及有效半径8m，快加速能力达到10g/s的快加速离心机正在航空、航天等军工集团服役，一批国家重要型号武器都在这些离心机上开展了大量的部件级考核与验证试验。目前正在研制的13m有效半径、600g.t例行离心机，已经完成主机的工程设计，预计将在3年内完成全部的研制与调试工作，届时将成为世界级的特大规模离心机。

在土工离心机研制领域，总体所2013年9月向成都理工大学交付了TLJ-500型土工离心机项目，这是国内目前容量最大、功能最全的大型土工离心试验设备。其离心机振动系统是目前国际上性能指标最先进的离心机机载振动台之一，系统能够在100g离心场下开展振动试验，可模拟原型模型体积达到60m3，地震波面积失真度：小于等于5%。该离心机的研制成功不仅填补了国内大型土工试验离心机的空白，也标志着我国大型离心机的研制技术迈上了新的台阶。

在精密离心机领域，20世纪90年代，中物院总体所离心机研制团队曾为中电26所等单位研制了多台加速度相对不确定度为1×10-3的精密离心机。2009年，中物院总体所获得了为本院电子工程研究所研制JML-100J高精度精密离心机项目，最大加速度100g，最大负载达10kg，加速度不确定度为10—5量级。2014年，产品顺利通过验收交付使用。

2011年，总体所启动了“高精度惯性仪表校准检测装置研制及应用”项目，列入首批国家重大科学仪器设备开发专项。总体所攻关团队自主设计完成了双向大承载力高精度空气轴承、精密电机、精密测量系统、微震动隔震系统等核心部件，先后申请专利25项，推动了国内加工制造、新材料等领域的多项技术进步。目前，该离心机已达到最高载荷10kg、相对标准不确定度10-6、稳态线加速度100g等领先指标。它的研制成功填补了我国1g 100g量程范围内，加速度相对不确定度达到10-6量级的精密离心机空白。

载人离心机是目前唯一能在地面逼真模拟高性能战机各种机动动作，可以有效提升飞行员加速度耐受能力、减少飞行事故、提升飞行员战斗力的有效途径，我国空军1999年启动了高性能载人离心机的建设工作。2005年，时任中物院总体所所长、现任中物院副院长何颖波要求离心机研制团队迅即开展载人离心机关键技术研究。2013年，中物院高性能载人离心机样机研制项目立项，样机的设计瞄准满足三、四代战机飞行员训练的需求，除了各基础指标能涵盖战机性能指标外，系统动态响应时间设计为80ms，优于飞行模拟器相关国军标规定的150ms要求，与世界顶尖水平---美国ETC公司最新产品指标相近。

团队在高动态离心机研制经验基础上，进一步发展了大型旋转结构优化设计、离心场下多自由度运动控制、飞行载荷转换等多项技术，完成了样机设计。目前系统调试已进入尾声，样机主要指标达到国际先进水平，预计2015年底完成飞行员上机测试。高性能载人离心机的制成功打破了国外技术垄断，填补了我国航空医学大型科研训练装备的空白，能有效满足我国战机飞行训练的迫切需要。

目前，总体所承担的离心机设计开发项目有国内指标最先进的振动复合例行试验机、国内精度最高的计量用精密离心机、国内指标最先进的动态惯性载荷模拟试验系统、国内容量最大的土工离心机，已经形成了全面的离心机研制能力。

砺锋芒百炼成钢

中物院总体工程研究所的离心机研制历程已走过50余载，如今，在离心机装备总体（系统）设计技术、高离心场下多功能复杂结构设计和模拟分析技术、大功率快加速拖动控制技术、多轴精密运动控制技术和高离心场下高精度检测技术等方面的技术水平达到国内领先、国际一流。

勇于创新支撑着团队不断前行。

团队针对高动态离心机、振动离心机等的设计技术进行了大胆创新探索，如在高动态离心机上使用了新的转臂结构形式、新的机械加工工艺；在振动离心机上，采用了新材料以及新的减震结构方案；在综合环境试验离心机上，采用了新的设计方法和新的测试静态力矩平衡结构。这些新技术、新方法、新工艺、新材料的应用，大大提高了离心机的研制水平。

敢于突破是团队屹立业界的法宝。每一台新型离心机的研制对团队来说都是一次新的挑战。成都理工大学离心机上一维激振系统项目，团队通过创造性的分析与设计，形成了一套全新的技术方案，击败了欧美日等国外竞争对手，成功中标。在“JML-100J计量用高精度精密离心机”项目中，成功替代进口。

面向未来使团队始终保持着国内的行业领路者。团队与浙江大学等单位联合申报了“十二五”国家重大科技基础设施项目，积极筹划1000g.t容量以上的巨型离心机、离心场下三维地震模拟装置和动态飞行模拟器的技术攻关工作。为适应国家海洋战略发展需要，2012年，中物院总体所联合清华大学申报了世界首创的“海工离心机”，容量达到3000g.t，同时具备波流、浪振等复合试验功能。

历经数十个离心机项目研制的锤炼，一批领军人才和科研骨干茁壮成长。现任中物院副院长何颖波研究员，曾任中物院总体工程研究所所长，是工程力学专家，也是总体所离心机事业和军民融合事业的重要推动者。当总体所离心机事业面临困境之时，他果断决定研制复合离心机系统，填补国内空白，确立了总体所在土工离心机领域的主导地位；当离心机事业步入快车道之时，他提出了利用多学科专业优势，解决国内高端装备自主可控的发展思路，并决定了拓展载人离心机领域，为离心机技术的发展开辟了更加广阔的天地。总体所离心机领域高级专家黎启胜研究员，先后担任所副总工程师、所党委书记等职务。他长期从事离心机技术研究及工程研制，是家重大科学仪器项目“高精度惯性仪表校准检测装置研制”的首席专家，是数十项国家、院所级装备研制项目的负责人，是国内离心机行业的知名专家。

目前，中物院总体所已形成一支以黎启胜为领军人物的离心机研制团队，有研究员9人，高级工程师32人，其中博士15人、硕士56人。这支团队已经成长为中国离心机研制领域的核心力量。

谋划长远引领未来

目前，总体所承担的离心机设计开发项目有12项，合同金额1.6亿元，论证中的项目有9个，预计研制经费达7亿元。

随着国家实力的提升，国家安全需求提升到新高度，对离心机也提出了更多更高的需求。巨型土工离心机作为300米以上高坝安全性、千米级深地深海工程、百年跨度地下环境污染、平方公里尺度城市地震安全、千米尺度飞行器撞击及高能爆炸研究方面重要的科研平台，已经列入国家中长期科技发展规划；载人离心机是高机动战机飞行员训练的必备装备，目前我国仅有一套还是十年前引进的，载人离心机国产化是建设强大空军必然要求。同时，总体工程研究所积极开展载人离心机的军贸工作，目前已有国外军方表达了采购意向。团队将瞄准离心式动态飞行模拟器等关系国家安全的重大装备，联合国内优势单位共同开展需求识别、可行性论证以及关键技术攻关，完成理论提升、技术突破。比如，利用成都“工程科学创新与研发中心”的离心式动态飞行模拟器样机，联合空军相关单位，共同打造“空天医学工程联合试验室”；着力启动土工巨型离心机的立项申请工作，积极推动海工巨型离心机的立项申请工作。

会当凌绝顶，一览众山小。中物院总体所离心机研制团队将始终秉承“铸国防基石、做民族脊梁”的核心价值观，充分依托综合技术优势，充分调动和发挥团队的集体智慧，以推动我国离心机试验装置研发技术赶上和超过世界先进水平为己任，努力建设成国际一流水平的科学试验用离心机研究基地、离心机技术应用基地和人才培养基地，成为复杂环境模拟解决方案的提供单位，离心机应用相关新技术、新方法验证的检测基地，不断满足我国国防科技事业发展和国民经济建设的需要。