6月22日，貴州平塘大窩凼，“中國(guó)天眼”饋源艙驅(qū)動(dòng)鋼絲繩更換項(xiàng)目順利通過(guò)專家驗(yàn)收，這標(biāo)志著為“中國(guó)天眼”更換國(guó)產(chǎn)鋼絲繩的重要任務(wù)圓滿收官。

2000多公里外，北京昌平昆侖路，堆放在北京科技大學(xué)國(guó)家材料服役安全科學(xué)中心（以下簡(jiǎn)稱“科學(xué)中心”）的試驗(yàn)件，講述著鋼絲繩的來(lái)時(shí)路。

此前，這種鋼絲繩曾長(zhǎng)期依賴進(jìn)口。近3年，在科學(xué)中心的深度助力下，它實(shí)現(xiàn)了從原材料端到使用端的全鏈條國(guó)產(chǎn)化，使我國(guó)將又一項(xiàng)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵部件的命脈牢牢掌握在自己手中。

自主評(píng)價(jià)，突破“不敢用”

500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡被人們形象地稱為“中國(guó)天眼”，饋源艙是其核心部件，用以接收和聚焦反射面收集的宇宙電磁波信號(hào)。饋源艙重達(dá)30噸，被6根鋼絲繩共同牽引，在140米高空、206米尺度范圍內(nèi)精準(zhǔn)移動(dòng)、實(shí)時(shí)定位。

如果把饋源艙比作“中國(guó)天眼”的“眼球”，那么鋼絲繩就是支撐并帶動(dòng)“眼球”運(yùn)動(dòng)的“眼部肌肉”。鋼絲繩不僅要有足夠的強(qiáng)度將饋源艙牽拉至空中，還要有足夠的耐久性，在一次次張拉、彎曲中，仍能把饋源艙安全地送到指定位置。

“材料的耐久性，在我們專業(yè)領(lǐng)域被稱為‘抗疲勞性能’?！?span style="font-family: 宋體, SimSun; font-size: 16px; margin-bottom: 10px; line-height: 2em;">科學(xué)中心力學(xué)與結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)站主任任學(xué)沖說(shuō)，“過(guò)去鋼絲繩長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，不一定是我們的生產(chǎn)能力不行，而是沒(méi)有經(jīng)過(guò)系統(tǒng)性疲勞測(cè)試的產(chǎn)品，我們不敢輕易用在‘中國(guó)天眼’這樣的大國(guó)重器上?！?/span>

在材料的各項(xiàng)性能中，疲勞性能是最難預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)的。“舉個(gè)例子，你看到一個(gè)人，很容易知道他的身高、體重、學(xué)歷等信息，但很難預(yù)測(cè)他的壽命。鋼絲繩也是一樣，你可以準(zhǔn)確測(cè)量它的強(qiáng)度、密度、導(dǎo)電性等，但疲勞性能天然具有分散性，即使充分了解它的服役工況，也很難確定它發(fā)生疲勞斷裂的時(shí)間?！?/span>任學(xué)沖解釋。

2023年9月，為實(shí)現(xiàn)鋼絲繩疲勞性能的定量評(píng)價(jià)，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)遍訪全國(guó)后，選擇與北科大科學(xué)中心合作。巧合的是，“中國(guó)天眼”和科學(xué)中心所依托的“重大工程材料服役安全研究評(píng)價(jià)設(shè)施”同屬“十一五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。兩個(gè)大科學(xué)裝置，自此開(kāi)啟了夢(mèng)幻聯(lián)動(dòng)。

依據(jù)天眼鋼絲繩的使用工況數(shù)據(jù)和系統(tǒng)可靠性要求，科研團(tuán)隊(duì)確定了鋼絲繩的性能標(biāo)準(zhǔn)：經(jīng)過(guò)20萬(wàn)周疲勞后，拉伸能力仍維持在180噸以上——這相當(dāng)于為饋源艙的安全運(yùn)行打出了約4.5倍的富余量。

“壓縮時(shí)空”，煉就“定心丸”

饋源艙的移動(dòng)，依靠的是6根鋼絲繩的張弛收放。而鋼絲繩的收放，又離不開(kāi)卷筒和滑輪的作用。因此，對(duì)鋼絲繩的評(píng)價(jià)，拉伸狀態(tài)下的“張拉疲勞”與彎曲狀態(tài)下的“彎曲疲勞”同等重要。

彼時(shí)，國(guó)內(nèi)并沒(méi)有能綜合評(píng)價(jià)張拉和彎曲疲勞的測(cè)試設(shè)備，如何真實(shí)、等效地將鋼絲繩復(fù)雜的服役工況呈現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室，是科研團(tuán)隊(duì)面臨的挑戰(zhàn)。

“這臺(tái)設(shè)備是我們依據(jù)‘中國(guó)天眼’的實(shí)際需求自主設(shè)計(jì)的。”循著任學(xué)沖手指的方向看過(guò)去，實(shí)驗(yàn)設(shè)備像一個(gè)巨大的杠鈴——兩邊的圓形復(fù)現(xiàn)鋼絲繩的彎曲狀態(tài)，中間的區(qū)域則復(fù)現(xiàn)張拉狀態(tài)。

“疲勞是可以等效加速的?！?span style="font-family: 宋體, SimSun; font-size: 16px; margin-bottom: 10px; line-height: 2em;">任學(xué)沖的解釋很形象——實(shí)驗(yàn)設(shè)備就像一臺(tái)時(shí)空壓縮機(jī)，把鋼絲繩服役5年期間持續(xù)累加的疲勞壓縮進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的不到5天時(shí)間里。

科學(xué)中心工程師田振介紹，為了盡可能匹配“中國(guó)天眼”的觀測(cè)窗口期，科研團(tuán)隊(duì)第一時(shí)間調(diào)配了實(shí)驗(yàn)資源，保證測(cè)試高效推進(jìn)。經(jīng)過(guò)千日攻堅(jiān)，8個(gè)批次、近100根鋼絲繩的測(cè)試與改進(jìn)，國(guó)產(chǎn)鋼絲繩終于迎來(lái)了激動(dòng)人心的驗(yàn)收時(shí)刻。

但好事往往多磨。

2026年初，一批新制的鋼絲繩即將發(fā)往貴州。在發(fā)貨前的最終檢測(cè)中，實(shí)驗(yàn)鋼絲繩的斷裂拉力數(shù)據(jù)卡在了175.4噸，距離180噸的標(biāo)準(zhǔn)只差4.6噸。

“可能有人覺(jué)得，只差4.6噸，相當(dāng)于100分的試卷考了97分，已經(jīng)很不錯(cuò)了?！?span style="font-family: 宋體, SimSun; font-size: 16px; margin-bottom: 10px; line-height: 2em;">田振說(shuō)，“但測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)很清晰的界限，97分也是不合格?！?/span>

實(shí)驗(yàn)沒(méi)有停步。3個(gè)月后，伴隨一聲響亮的斷裂聲，新制造鋼絲繩的測(cè)試數(shù)值定格在196.8噸，終于交出了滿分答卷，也給饋源艙安全運(yùn)行煉就了“定心丸”。

“180噸不僅是一個(gè)安全性標(biāo)準(zhǔn)，也是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)性標(biāo)準(zhǔn)?！比螌W(xué)沖強(qiáng)調(diào)，“只要能把這個(gè)指標(biāo)穩(wěn)定住，就能淘汰國(guó)外很多同類型產(chǎn)品，我們國(guó)家在這個(gè)領(lǐng)域也就擁有更大的話語(yǔ)權(quán)?！?/span>

久久為功，“跟跑”變“領(lǐng)跑”

“我是北科大畢業(yè)的。我們讀書(shū)的時(shí)候，能有一臺(tái)小試驗(yàn)機(jī)，做點(diǎn)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，就已經(jīng)很不錯(cuò)了。”任學(xué)沖話鋒一轉(zhuǎn)，“現(xiàn)在是想做什么實(shí)驗(yàn)基本都能實(shí)現(xiàn)。”

此言非虛。

科學(xué)中心的實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)，最顯眼的莫過(guò)于一枚大型商業(yè)運(yùn)載火箭。拆分成一節(jié)節(jié)的火箭箭體通過(guò)傳導(dǎo)線與測(cè)試設(shè)備連接，測(cè)試目標(biāo)是評(píng)價(jià)火箭回收后再發(fā)射的復(fù)用次數(shù)。

角落里，直徑超16厘米的粗壯鋼絲“繩”灰撲撲的，并不起眼。但在科研規(guī)劃中，它將被用于牽拉世界首個(gè)大功率漂浮式海上風(fēng)電平臺(tái)，其應(yīng)用環(huán)境之復(fù)雜、受力載荷之高、試驗(yàn)數(shù)據(jù)之珍貴，帶來(lái)的測(cè)試難度超過(guò)了“中國(guó)天眼”項(xiàng)目。

國(guó)家速滑館吊頂鋼纜、高強(qiáng)度大型橋梁鋼索、高鐵車輪服役性能評(píng)價(jià)……科學(xué)中心聚焦的研究對(duì)象，代表著中國(guó)工業(yè)產(chǎn)品的最先進(jìn)水平。“我們?cè)诠ぷ髦校芮猩砀惺艿絿?guó)家整體工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高。”任學(xué)沖坦言。

這種提高，與中國(guó)高校科學(xué)研究和服務(wù)社會(huì)能力的持續(xù)提升密不可分。正是高等教育的助力，使我國(guó)在越來(lái)越多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的轉(zhuǎn)變。

“等‘中國(guó)天眼’換下來(lái)的進(jìn)口鋼絲繩拿回來(lái)，我們還要做對(duì)比測(cè)試，看看它們的剩余性能怎么樣，我們還有多大提升空間。”田振細(xì)數(shù)著下半年的工作計(jì)劃。

目前，饋源艙的鋼絲繩是5年一換。而科學(xué)中心的目標(biāo)，是讓這根承載著人類探索宇宙夢(mèng)想的“中國(guó)繩”，在未來(lái)能服役得更持久、更安全。

中國(guó)教育報(bào)-中國(guó)教育新聞網(wǎng)記者 劉亦凡