北京科技大学：为“中国天眼”搓根“中国绳”

6月22日，贵州平塘大窝凼，“中国天眼”馈源舱驱动钢丝绳更换项目顺利通过专家验收，这标志着为“中国天眼”更换国产钢丝绳的重要任务圆满收官。

2000多公里外，北京昌平昆仑路，堆放在北京科技大学国家材料服役安全科学中心（以下简称“科学中心”）的试验件，讲述着钢丝绳的来时路。

此前，这种钢丝绳曾长期依赖进口。近3年，在科学中心的深度助力下，它实现了从原材料端到使用端的全链条国产化，使我国将又一项重大科技基础设施关键部件的命脉牢牢掌握在自己手中。

自主评价，突破“不敢用”

500米口径球面射电望远镜被人们形象地称为“中国天眼”，馈源舱是其核心部件，用以接收和聚焦反射面收集的宇宙电磁波信号。馈源舱重达30吨，被6根钢丝绳共同牵引，在140米高空、206米尺度范围内精准移动、实时定位。

如果把馈源舱比作“中国天眼”的“眼球”，那么钢丝绳就是支撑并带动“眼球”运动的“眼部肌肉”。钢丝绳不仅要有足够的强度将馈源舱牵拉至空中，还要有足够的耐久性，在一次次张拉、弯曲中，仍能把馈源舱安全地送到指定位置。

“材料的耐久性，在我们专业领域被称为‘抗疲劳性能’。”科学中心力学与结构工程实验站主任任学冲说，“过去钢丝绳长期依赖进口，不一定是我们的生产能力不行，而是没有经过系统性疲劳测试的产品，我们不敢轻易用在‘中国天眼’这样的大国重器上。”

在材料的各项性能中，疲劳性能是最难预测和评价的。“举个例子，你看到一个人，很容易知道他的身高、体重、学历等信息，但很难预测他的寿命。钢丝绳也是一样，你可以准确测量它的强度、密度、导电性等，但疲劳性能天然具有分散性，即使充分了解它的服役工况，也很难确定它发生疲劳断裂的时间。”任学冲解释。

2023年9月，为实现钢丝绳疲劳性能的定量评价，中国科学院国家天文台遍访全国后，选择与北科大科学中心合作。巧合的是，“中国天眼”和科学中心所依托的“重大工程材料服役安全研究评价设施”同属“十一五”国家重大科技基础设施。两个大科学装置，自此开启了梦幻联动。

依据天眼钢丝绳的使用工况数据和系统可靠性要求，科研团队确定了钢丝绳的性能标准：经过20万周疲劳后，拉伸能力仍维持在180吨以上——这相当于为馈源舱的安全运行打出了约4.5倍的富余量。

“压缩时空”，炼就“定心丸”

馈源舱的移动，依靠的是6根钢丝绳的张弛收放。而钢丝绳的收放，又离不开卷筒和滑轮的作用。因此，对钢丝绳的评价，拉伸状态下的“张拉疲劳”与弯曲状态下的“弯曲疲劳”同等重要。

彼时，国内并没有能综合评价张拉和弯曲疲劳的测试设备，如何真实、等效地将钢丝绳复杂的服役工况呈现在实验室，是科研团队面临的挑战。

“这台设备是我们依据‘中国天眼’的实际需求自主设计的。”循着任学冲手指的方向看过去，实验设备像一个巨大的杠铃——两边的圆形复现钢丝绳的弯曲状态，中间的区域则复现张拉状态。

“疲劳是可以等效加速的。”任学冲的解释很形象——实验设备就像一台时空压缩机，把钢丝绳服役5年期间持续累加的疲劳压缩进实验室的不到5天时间里。

科学中心工程师田振介绍，为了尽可能匹配“中国天眼”的观测窗口期，科研团队第一时间调配了实验资源，保证测试高效推进。经过千日攻坚，8个批次、近100根钢丝绳的测试与改进，国产钢丝绳终于迎来了激动人心的验收时刻。

但好事往往多磨。

2026年初，一批新制的钢丝绳即将发往贵州。在发货前的最终检测中，实验钢丝绳的断裂拉力数据卡在了175.4吨，距离180吨的标准只差4.6吨。

“可能有人觉得，只差4.6吨，相当于100分的试卷考了97分，已经很不错了。”田振说，“但测试标准是一个很清晰的界限，97分也是不合格。”

实验没有停步。3个月后，伴随一声响亮的断裂声，新制造钢丝绳的测试数值定格在196.8吨，终于交出了满分答卷，也给馈源舱安全运行炼就了“定心丸”。

“180吨不仅是一个安全性标准，也是一个竞争性标准。”任学冲强调，“只要能把这个指标稳定住，就能淘汰国外很多同类型产品，我们国家在这个领域也就拥有更大的话语权。”

久久为功，“跟跑”变“领跑”

“我是北科大毕业的。我们读书的时候，能有一台小试验机，做点基础实验，就已经很不错了。”任学冲话锋一转，“现在是想做什么实验基本都能实现。”

此言非虚。

科学中心的实验大厅内，最显眼的莫过于一枚大型商业运载火箭。拆分成一节节的火箭箭体通过传导线与测试设备连接，测试目标是评价火箭回收后再发射的复用次数。

角落里，直径超16厘米的粗壮钢丝“绳”灰扑扑的，并不起眼。但在科研规划中，它将被用于牵拉世界首个大功率漂浮式海上风电平台，其应用环境之复杂、受力载荷之高、试验数据之珍贵，带来的测试难度超过了“中国天眼”项目。

国家速滑馆吊顶钢缆、高强度大型桥梁钢索、高铁车轮服役性能评价……科学中心聚焦的研究对象，代表着中国工业产品的最先进水平。“我们在工作中，能切身感受到国家整体工业技术水平的不断提高。”任学冲坦言。

这种提高，与中国高校科学研究和服务社会能力的持续提升密不可分。正是高等教育的助力，使我国在越来越多领域实现了从“跟跑”到“领跑”的转变。

“等‘中国天眼’换下来的进口钢丝绳拿回来，我们还要做对比测试，看看它们的剩余性能怎么样，我们还有多大提升空间。”田振细数着下半年的工作计划。

目前，馈源舱的钢丝绳是5年一换。而科学中心的目标，是让这根承载着人类探索宇宙梦想的“中国绳”，在未来能服役得更持久、更安全。

中国教育报-中国教育新闻网记者 刘亦凡