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本文授权转载自公众号岩土沿途Geotech
作者：Maxim Li
阿雷西博望远镜最后一个黄昏
历史的终结
阿雷西博天文台曾经拥有世界最大的天文望远镜。
一个镶嵌在山谷中，直径达305m的巨型碗状反射面是天文台最显著的特征。在1963年建成后，阿雷西博望远镜的信号接收面积比同期的大型望远镜提高了足足10倍，是当时最强大和最灵敏的天文望远镜。
巨型碗状反射面是望远镜最显著的特征
得益于其广阔的天区覆盖面和高出一个数量级的灵敏度，科学家们一度把寻找地外文明的希望寄托于它。1974年，一组关于人类与地球的基本数据被转换为二进制的脉冲信号，通过阿雷西博雷达发送到了M13星云，史称「阿雷西博信息」（Arecibo Message）。
M13星云是最广为人知的球状星团之一，出现在了一系列的科幻小说中。在天气非常晴朗的夜晚，它几乎可以用裸眼直接看到。如果M13中确实存在智能生命体，足够幸运的话，望远镜发出的信息最快将于25000年后被对方收到。
阿雷西博信息
伴随着天文望远镜给人类视野带来的巨大拓展，我们发现之前生活中不曾了解的事物和现象：地球只是银河中一个美丽的小孤岛，广阔无垠的宇宙中还存在着数以亿计的星体，以千差万别的形态和规则运行着。
怀着对未知的大胆想象，我们有机会第一次以人类世界之外的视觉审视自身——我们从哪里来？我们在宇宙中有同伴吗？他们会如何看待我们？
然而，承载着人类美好愿望的阿雷西博望远镜，却在2020年接二连三发生的钢缆断裂事故中提早结束寿命。2020年12月，随着第三根钢缆的断裂，望远镜主要部件坠落，击穿了巨型的反射面，望远镜发生了不可逆转的破坏。
破坏后的阿雷西博望远镜
阿雷西博望远镜的坠落象征着一个时代的终结。
作为曾经的世界第一（现时最大的天文望远镜是直径达500m的中国天眼FAST），谁也没想到会以这种方式草草收场。
180头大象
阿雷西博望远镜坐落于美属波多黎各北部山区。为了能容纳直径305m的主反射面和尽可能减少建设时的土方开挖量，特意找了一个形态接近碗状的喀斯特地貌山谷作为建设点。
60年代建设前后的山谷照片
建成后，阿雷西博望远镜的构造大致如下。
除地面直径305m的主反射面外，望远镜的主要部件被多根钢缆悬吊在150m的高空中（橙色部分）。主要部件的总重量高达900吨，相当于180头雄性大象同时被悬吊于空中。
悬吊钢缆通过位于望远镜四周的三个钢筋混凝土高塔固定。高塔的命名根据其与主反射面的相对位置进行编号。如T-4塔意味着此塔位于主反射面的4点钟方向，其他塔同理。
粉色线是负责悬吊的主钢缆，命名方式同高塔类似（时钟方向）。每个塔连接的主钢缆由4根直径76mm的钢缆组合而成，如M4主钢缆包含有M4-1，M4-2，M4-3，M4-4共四根钢缆。
在主钢缆的左右两侧，还各设置有一根直径83mm的辅助钢缆（黄色虚线）。根据相对于主钢缆的位置，M4主钢缆两侧的辅助钢缆被命名为M4N（北面）和M4S（南面）。
为了平衡三座高塔受到悬吊钢缆的拉力，在另一个方向还设置有后拉钢缆，数量与主钢缆及辅助钢缆相同。
自1963年建成后，望远镜经历了台风、地震，安然无恙地度过了50多年。直到2020年，在不到半年时间内，T-4塔的多根钢缆先后发生断裂，最终导致望远镜的整体坠落。
T-4塔钢缆的断裂顺序
钢缆的跌落击穿了部分反射面
连根拔出
望远镜的损坏起于2020年8月M4N辅助钢缆的断裂。如果想知道整体破坏的真正原因，对这根辅助钢缆的详细调查必不可少。
M4N辅助钢缆直径为83mm，由126根直径6.4mm的钢线与1根7股钢丝绞成的钢绞线组合而成。
辅助钢缆由127根钢线组成
钢缆的破坏发生于锚固点，该处采用的是固定钢缆常用的开式索节（Socket）。开式索节中部有一个圆台型的洞口，钢缆穿过洞口与索节形成锚固关系。
断裂钢缆所采用的开式索节
钢缆与开式索节的锚固流程基本如下。
01
将钢缆与索节锚固的一端露出。
02
为了令钢缆与索节更好地结合，需要将钢缆的钢线打散成扫帚的形状，这个过程称为帚化（Brooming）。
03
钢缆打散后，从索节中部的洞口插入。
04
将金属锌加热成液态，从索节另一端的开口倒入。
05
待液态锌凝固后，变成了固态的锌铸件，钢缆就与索节完成了锚固过程。
钢缆与索节锚固后，将索节固定于高塔，就可以悬吊受力了。
索节与高塔的固定。照片为M4N_AUX断裂后所拍
M4N辅助钢缆断裂时，整根钢缆从索节中被连根拔出，同时可以看到钢缆上附有大量的固态锌。这种情况是很反常的，因为索节处经液态锌浇铸融为一体后，它的强度通常要大于钢缆的抗拉强度。
钢缆从索节处连根拔出，可见附有固态锌
如果翻看历史照片，在2003年与2019年拍摄的照片中，M4N钢缆在索节处已能明显看到被拔出的部分锌铸件，并随着时间发展越来越严重。
在2003年（左）和2019年（右）的照片中，M4N钢缆索节处已能明显看到被拔出的锌铸件
钢缆的断裂似乎早有预兆。
33条线索
与一般的工程事故不同，阿雷西博望远镜的事故原因调查要复杂得多。钢缆持续服役了50余年，在断裂之前，望远镜经历过维修、改造、飓风、地震，在众多因素中，到底哪一个才是关键的？
还是说每个因素都为钢缆断裂作出了贡献？该从哪里入手？
钢缆断裂的众多影响因素
这些问题暂时还没有答案。现在唯一能做的是深入调查M4N辅助钢缆的索节，因为它在2019年照片中的异常行为。
为此，采用了多种手段对M4N钢缆进行技术鉴证。
钢缆形态分析
索节的分解与切片
立体显微镜分析
ESEM分析
金相学分析
力学测试
数值模拟仿真
设计图纸复核
在完成上述的所有的鉴证手段后，共收集到了33条关键性线索（编号为F-1~F-33）。
33条关键线索
拼图谜题
对于一个简单的问题，线性推理是我们寻求答案的常用方法。在简单问题中，每个因素之间顺序关系具有单一性及可传递性，只需要像串珠子一样把线索连起来。
简单推理：串珠子
然而，对于复杂的问题，由于多个线索之间互相联系，我们再也难以找到一条清晰的路径将其全部串起来。比起串珠子，复杂问题的解决更像是拼图游戏。
复杂推理：拼图游戏
阿雷西博望远镜事故调查就是一个复杂的拼图游戏。我们收集到33块拼图（线索），现在要把它们拼成一幅完整图案。所以，我们需要抛弃线性推理法，用拼图的技巧来解决问题。
在拼图游戏中，人们一般会采用以下三种策略：
01
边界——这些位于边界处的拼图碎片是最容易被辨认的，因此它们常常会被首先选择。
02
归类——拼完边界处的拼图后，找到一块色彩对比特点强烈的拼图，并以它作为基点找到同类型的拼图。
03
互联——当这些特点强烈的拼图区域足够多时，区域与区域之间的联系就会变得明显。甚至不用完成整幅拼图，我们也能明白整幅图案所表达的意思。
按照这三种策略，我们同样可以对阿雷西博望远镜收集到的线索进行归类与联系。
拼图式推理
事故真相已经呼之欲出。
原因回溯
安全富余度不足。钢缆设计抗拉强度的安全系数仅为1.83，明显低于主流规范值。事故后对荷载复核，发现实际荷载值比设计值要高15%。
钢缆强度安全系数低于主流规范值
未充分考虑钢线之间受力的差异。理想状态下，组成钢缆的127根钢线受力应该是相同的；实际上，由于锚固过程中钢丝需要打散帚化，外部的钢线受力要比内部钢线大，这进一步降低了钢缆的安全度。
外围钢线的受力要比内部钢线大
未充分考虑锌铸件的蠕变影响。从2003年及2019年照片显示，锌铸件不断被拔出。金相学分析表明，锌铸件的蠕变导致钢缆应力发生重新分布，外部钢丝的应力不断增加。
锌铸件发生再结晶现象及晶体被拉伸，证实了蠕变变形的发生
钢线断裂持续发展。随着锌铸件蠕变导致外部钢线应力持续增加，安全富余度最低的最外围钢线终于发生断裂。断裂钢线的应力被它邻近的钢线所承担，邻近的钢线很快也不堪重负。最终，钢线以多米诺骨牌的形式被陆续拉断。
钢线断裂发展示意图。粉红色为被拉断的钢线，蓝色为随着锌铸件一起拔出的钢线。红色箭头为钢线断裂后应力传递方向
锌铸件连根拔出。在大约一半的钢线失效后，没有足够的围压限制锌铸件。随着锌铸件发生过量的塑性应变，剩余未断裂钢线与锌铸件一起被拉出，整根钢缆彻底破坏。
未断裂钢线连同锌铸件一起被拉出
思考
阿雷西博望远镜的钢缆断裂事故，再一次提醒了我们，在工程中安全富余度的重要性。
工程并不是一门精确的科学，在实际建造和使用过程中存在大量不确定因素和偶然事件。
在科幻小说中，不确定与偶然是创造精彩篇章的生命力；而在工程中，不确定与偶然往往意味着代价。
FIN
