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4秒落塔 - 北京建院助力国家大科学装置成功实现预期目标

科技 07-06 来源：王应树

4秒电磁弹射微重力实验装置项目内塔实景

近日，由北京市建筑设计研究院有限公司设计的中国科学院空间中心全程控4秒电磁弹射微重力实验装置项目（简称4秒落塔）成功验收，正式进入核心试验装置安装阶段。

4秒落塔项目位于北京市海淀区邓庄南路中国科学院北京新技术基地，总高度44.45米，占地面积仅136平方米。对北京建院而言，如此之“小”的项目，设计团队却历时三年精心设计，力求将项目打造成为“中国第一、世界领先”的微重力实验设施，刷新我国自主设计、科技创新的新高度，助力国家探索浩瀚宇宙实现新突破！

4秒电磁弹射微重力“弹射器”

为载人航天空间科学项目提供地基短时微重力实验服务

人类对宇宙的探索是永无止境的，载人航天技术探究了人在微重力下的生理、物理反应，而种子、胚胎、动植物、各种元素进入太空后的动态变化同样是科学家研究的核心问题。由于航天发射成本巨大，过去我国空间实验柜通常采用国外抛物线飞机等方式进行预试验。4秒落塔以单次成本低、实验机会多、便于人工干预等优点，成为在地面模拟宇宙环境的绝佳实验场所。

左图：实验柜空间实验载体——我国载人空间站"天宫"

右图：实验柜地面模拟实验载体——抛物线失重飞机

4秒电磁弹射微重力实验装置项目内塔实景

被喻为航天领域“弹射器”的实验装置，顾名思义是指：采用一种类似于炮弹造型的直线电机驱动实验舱体，通过电机全程控制加速度过程，以“2秒弹射到40米高空再2秒回落”的方式来产生微重力和超重环境，最终实现模拟微重力、月球重力、火星重力等运动模式，为航天大规模空间科学项目提供地基短时微重力实验服务。4秒落塔是亚洲首例、世界第二例工程，同时也是“千米落井”装置的关键技术验证项目。项目建成后，将改写我国空间实验柜预试验高成本、长周期的历史。

“小”项目“大”投入，确保项目实现高精度目标

为保证科研需要，4秒落塔要求精度极高，安装完成后及实验舱高速运行中轨道、电机连接板的平面度、平行度、垂直度、正对距离均需保持小于1mm的精准状态。此外，用于实验的电磁弹射微重力装置需要一个极其严苛的存在环境，在此环境下要隔绝内外界细微的振动、温度变化、风力扰动，甚至连供科研人员上下的电梯产生的干扰都要屏蔽。在国内，4秒落塔项目的设计工作尚属首次，没有现成的设计经验可遵循参考，设计工作难度大，技术攻关难点多，对任何设计单位而言都是一个不小的考验。

最终，北京建院迎难而上，从2019年6月起与空间中心的科学家们展开通力合作。设计人员在为期三年的设计过程中，始终以精益求精的态度，追求卓越的理念，以最为饱满的工作热情，充分发挥国有设计科创企业在技术上的主观能动性，攻坚克难、锐意进取，边学习边摸索，设计方案历经多轮调整，从而确保项目实现高精度目标。

4秒电磁弹射微重力实验装置项目内塔（轨道塔、电机塔）细部

麻雀虽“小”，精尖俱全

4秒落塔主要由外塔、内塔、塔外设备间、塔内设备、塔外设备等部分构成，主体结构分为内塔（轨道塔、电机塔）、外塔三层塔，以避免试验过程中的内外振动耦合干扰，堪称“高精度丝滑套娃”。三层塔功能相连却完全独立分开，有限空间里涉及了高精度试验设备、消防、通风、空调、配电、照明、动力、防雷、接地、安防、通讯、自控等各个系统。麻雀虽小五脏俱全，系统设置有别于常规的建筑工程设计，均为极特殊的专用试验装置，现行规范鲜有涉及，无疑给设计工作带来很大挑战。

外围护塔作为微重力实验设施的支撑结构及围护体系，首要任务满足实验需求及工艺要求，抵抗外部风荷载及温度变化。针对需求的塔内温度、风速、噪声控制等指标，构建满足工艺需求的受控环境，因微重力科学实验过程中需保证整个实验塔内部环境温度恒定，节能设计上采用近零能耗建筑技术标准的土建被动措施，结合全年气象参数模拟，落实设备设施选型。通过对外保温材料和外门的保温性，气密性的特殊设计，再加上内部空调系统，使得试验塔内部环境能够满足微重力科学实验的要求。最终满足超低能耗建筑节能检测要求，实现交付、调试、运行的全过程管理目标。

高精度内塔采用双层正六边形双层钢支撑筒结构，内塔外层为轨道塔，内层为电机塔，“双塔”高度为地下3米、地上37.026米。结构设计经过多轮体系选择调整，确保体系稳定、节点可控可调，合理的造价控制下既具有适宜的刚度，更要具备加工、安装的可实施性，可对细微精度加以调整。对地震、风、温度、外部交通振源、内部弹射激励振动等进行全方位精准研究分析，尤其注重应对实验舱高速运行中的动荷载和有可能引发的不均匀冲击变形。从设计、加工、安装、测量等方面全过程控制精度：设计了“全螺栓”连接的装配式结构；近千个部件在工厂机加工并进行原位预拼装；现场安装“零焊接”；采用“多点间距离校准”+“三同心校准”+铅锤定点双控进行了精度测量监控。