科学试验用离心机研制

中国工程物理研究院总体工程研究所（以下简称总体所）主要从事武器总体工程设计、环境试验、数值模拟工作，同时也是我国科学试验用离心机研制的龙头单位。

总体所同步于欧美于1960年代开始大型离心机研制工作，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，为我国多个水利、交通工程建设提供了工程设计验证平台。

总体所研发的科学试验用离心机类型包括：应用于交通、水利等行业的土工离心机及机载装置；应用于航空、航天产品飞行环境模拟的例行离心机和过载模拟离心机；应用于惯性仪表校准、检测的精密离心机；应用于战斗机飞行员训练的载人离心机等。

　　一、土工离心机

土工离心机依据离心场下土工模型的缩尺效应（1:n，n为加速度g值）、缩时效应（1:n²）、强化能量效应（1:n³），开展缩比模型试验，广泛应用于堤坝、边坡、路基、隧道、建筑物基础等方面的工程应用试验研究。

总体所承接了国内自1990年代以来所有土工离心机研制项目。用户包括西南交通大学、长安大学、同济大学、浙江大学、成都理工大学、郑州大学、长江水利委员会长江科学院、天津水运科学院、中国地震局工程力学所等十余家科研院所，极大地促进了国内相关领域研究发展。

目前，总体所研制的土工离心机最大容量已达到1000gt，最大加速度已达到250g，吊篮最大空间可达2m×2m×2m。

二、机载装置

总体所研发了多套机械手和振动台等土工离心机机载装置。

1．离心场下机械手

机械手安装在土工离心机吊篮，在离心场下，通过机械手运动，实现离心模型试验中如填筑、开挖、注水和剖面变形等复杂动作，具备不停机实现工具更换等功能。

总体所先后为成都理工大学、长江水利委员会长江科学院、长安大学、浙江大学等多家单位研制土工离心机试验用机械手。

图2所示为总体所为长安大学研制的机械手。该系统在100g离心场下可实现X轴、Y轴、Z轴以及C轴的四轴联动。机械手各方向都由独立的电机驱动，依靠X、Y、Z轴平移机构和C向旋转机构实现机械手四轴精确定位。定位精度为0.1mm；X、Y、Z三轴承载能力为：X轴2500N，Y轴2500N，Z轴拉5000N、压18000N。工具头安装法兰运行范围为：X向运行范围为207～587mm，Y向运行范围为217～467mm，Z向运行范围为495～895mm。

2．离心场下振动台

振动台安装在离心机吊篮，通过对缩比模型施加压缩地震波激振，考核岩土结构抗震性能。

总体所先后为同济大学、成都理工大学、郑州大学、长江水利委员会长江科学院等单位研制土工离心机试验用振动台。

成都理工大学土工离心机振动系统是目前国际上性能指标领先的离心机机载振动台，系统能够在100g离心场下开展振动试验。有效负载质量1200kg，振动频率范围20Hz～250Hz；振动最大速度±0.75m/s，地震波面积失真度≦5%；最大振动历时3s（小量级地震波可延长至5s），离心机运转过程中具有2～3次满量级激振的能力或者5次小量级激振能力。

三、例行试验离心机

例行试验离心机用于模拟航空、航天产品飞行过程中所承受的加速度环境，广泛应用于产品的整体、部件在高过载等环境下的力学与电气性能试验、产品检验。

总体所于1968研制完成的“亚洲一号”离心机目前仍运行良好，1998年完成离心–气动–温度复合离心机研制并投入使用，2012年完成离心–振动复合离心机研制并交付航天用户，目前正在进行半径达13m的新一代例行试验离心机的研制工作。

图4所示为离心–气动–温度复合离心机，该系统有效半径7m，最大负载质量2000kg，最大加速度200g。

四、过载模拟离心机

过载模拟离心机用于动态跟随导弹、战机飞行过载曲线，广泛应用于产品过载环境下的性能考核与检测。目前，总体所已经成功研制用于火箭发动机过载环境试验考核、导弹机动飞行过载环境模拟以及航空救生装备鉴定的过载模拟离心机。

图 5所示是用于导弹机动飞行过载环境模拟的过载模拟试验系统。该系统通过模拟导弹飞行过程三轴过载对产品部组件进行性能考核。主要技术指标如下：半径3.5m，最大模拟加速度40g，最大加速度增长率24g/s，最大负载200kg。

图 6所示为高动态仿真离心机系统。该系统通过模拟导弹飞行过程中的Z向过载对产品部组件进行性能考核。主要技术指标如下：最大模拟加速度100g，最大加速度增长率35g/s，最大负载20kg。

图7所示是总体所为航天科技四院401所研制的火箭发动机离心过载模拟试验系统。该系统通过模拟发动机点火过程对产品过载承受能力进行考核鉴定。主要技术指标如下：最大加速度55g，加速度上升率4g/s，最大负载2000kg。

图 8所示是总体所为航宇救生装备有限公司研制的动态惯性载荷模拟试验系统。该系统用于航空救生装备过载环境性能考核。系统配备自由吊舱，根据需要可研制配备二自由模拟吊舱。主要技术指标如下：有效半径8m，最大加速度15g，最大过载变化率10g/s，最大负载2000kg。

五、精密离心机

精密离心机提供1g以上的高精度加速度，应用于惯性产品输出性能测试、研究、校准和标定。

2012年至今，总体所陆续承接了中物院五所、中电26所、中船717所等单位精密离心机研制项目，并于2012年获批国家重大科学仪器设备开发专项“高精度惯性仪表校准检测装置研制及应用”，该项目研制完成的精密离心机主要技术指标如下：半径1m，加速度精度为10^-6量级，最大负载20kg，最大加速度100g。

载人离心机

载人离心机通过三自由度协调运动产生持续性过载，用于战机飞行员飞行模拟训练及航空医学研究。系统提供主动和被动过载控制模式，飞行员可在模拟座舱内根据视景、仪表系统提供的视觉信息及自身过载感受操纵飞行模拟操纵系统进行模拟训练。

图 10所示是总体所自主研制的载人离心机。该系统有效半径8m，最大模拟加速度15g，最大过载变化率10g/s，模拟吊舱能够提供±360°的滚转和俯仰运动，系统响应时间小于80ms。