冬奧會(huì)的中國航天力量

賈璇

工作人員在火星著陸器上安裝吉祥物

聯(lián)合演練測試團(tuán)隊(duì)在試驗(yàn)外場

2月4日晚，2022年北京冬奧會(huì)開幕。遠(yuǎn)在3.2億千米外的“天問一號(hào)”火星探測器回傳了和本屆冬奧會(huì)、冬殘奧會(huì)吉祥物“冰墩墩”“雪容融”的自拍照，送上“宇宙級”冬奧祝福，網(wǎng)友更是驚嘆于“原來我們在火星也有啦啦隊(duì)”。

北京是首個(gè)夏冬雙奧之城，“天問一號(hào)”是中國首個(gè)行星際探索任務(wù)，兩者的“夢幻聯(lián)動(dòng)”既是綠色奧運(yùn)、科技奧運(yùn)、人文奧運(yùn)核心理念的中國表達(dá)，更是中華民族對更高、更快、更強(qiáng)、更團(tuán)結(jié)的倡導(dǎo)和追求。

放眼賽場內(nèi)外，一系列來自中國航天自主研發(fā)的科技及產(chǎn)品，正在賦能北京冬奧，為其持續(xù)貢獻(xiàn)力量和動(dòng)力，更為奧林匹克的發(fā)展提供中國方案。

如果有一種科技力量可以打破“水火不容”，它就是中國航天。

2月2日，兩個(gè)機(jī)器人在北京冬奧公園的湖水之下，完成了火炬交接傳火，成為奧運(yùn)史上首次實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與機(jī)器人在水下進(jìn)行的火炬?zhèn)鬟f儀式。該特種火炬也成為“世界上首支無煙燃燒的綠色清潔水空跨介質(zhì)火炬”。目前該火炬已經(jīng)申報(bào)了多項(xiàng)發(fā)明專利，我國具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

機(jī)器人同火炬在冰面開展協(xié)同測試

據(jù)特種火炬團(tuán)隊(duì)技術(shù)負(fù)責(zé)人、航天科工三院31所二室黨支部書記張波向《中國經(jīng)濟(jì)周刊》介紹：“目前國外的水下火炬采用固體燃料，燃燒存在非常明顯的煙霧污染。我們創(chuàng)新采用氣態(tài)燃料，不僅消除了固體燃料燃燒的煙霧污染，還可以讓火焰更具動(dòng)態(tài)、飄逸的美感?！?/p>

但氣態(tài)燃料實(shí)現(xiàn)水下燃燒和傳火，其難度比固體燃料要大很多。據(jù)張波介紹，為了讓氣體燃料在水下穩(wěn)定燃燒，同時(shí)克服水壓和水流擾動(dòng)的影響，設(shè)計(jì)人員借鑒了航天發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)理念。

“我們采用了新型燃燒組織結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)旋流火焰保護(hù)等一系列技術(shù)。其中，燃燒器采用燃料和氧化劑的多層噴注設(shè)計(jì);火焰的中心通過預(yù)混燃燒的方式來提高火焰溫度;火焰周圍采用類似航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣膜式熱防護(hù)的方法，形成動(dòng)態(tài)的‘保護(hù)罩’;用這些技術(shù)創(chuàng)新克服綠色能源在水下燃燒困難的技術(shù)難題?！睆埐ㄕf。

讓兩個(gè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)“水下傳火”的技術(shù)挑戰(zhàn)更大。

張波說，水下傳火時(shí)，周圍的水環(huán)境會(huì)給燃料帶來強(qiáng)冷卻作用，所以燃料在水下點(diǎn)燃時(shí)必須保證有穩(wěn)定的熱源，這對火炬對接的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性要求極高。此外，由于對接是在水中復(fù)雜擾動(dòng)環(huán)境下進(jìn)行，通過精準(zhǔn)懸停和控制來實(shí)現(xiàn)火炬燃燒器頭部的精準(zhǔn)對接，從某種意義上講，其難度甚至超過“空間站對接”。

為了實(shí)現(xiàn)水下點(diǎn)火的高可靠性，研發(fā)團(tuán)隊(duì)對氣態(tài)燃料開展了不同狀態(tài)的水下傳火特性研究，最終確定了傳火時(shí)間短、對接空間適應(yīng)性相對較強(qiáng)的水下傳火技術(shù)模式。

機(jī)器人“火炬手”入水進(jìn)行水下傳火

機(jī)器人水下傳遞火炬

中國航天實(shí)現(xiàn)“水火相容”

戶外測試現(xiàn)場

“從技術(shù)原理上看，水下火炬就是一個(gè)小型的氣體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，在實(shí)現(xiàn)水下燃燒的同時(shí)還通過一系列控制機(jī)構(gòu)和程序，實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人的集成和自動(dòng)控制，甚至還擁有在真空中燃燒的能力?！睆埐ㄕf，為了保證火焰在冬季嚴(yán)寒條件下的長時(shí)間工作，以及在空氣中和水下的美觀，水下火炬還自帶“大氣火焰和水下火焰雙模態(tài)燃燒機(jī)制”“燃料熱管理技術(shù)”等關(guān)鍵技術(shù)，最終圓滿實(shí)現(xiàn)機(jī)器人水下傳遞。

2021年12月16日，該環(huán)節(jié)在向北京冬奧組委進(jìn)行試驗(yàn)演示后，獲得“震撼、感人”的高度評價(jià)。

“我負(fù)責(zé)精彩，航天負(fù)責(zé)成功?！?022年北京冬奧會(huì)開幕式總導(dǎo)演張藝謀曾多次對航天團(tuán)隊(duì)說。

2022年2月4日晚，舉世矚目的北京第二十四屆冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)開幕式在國家體育場隆重舉行。中華文明與奧林匹克運(yùn)動(dòng)再度攜手，奏響全人類團(tuán)結(jié)、和平、友誼的華美樂章。

和2008年北京奧運(yùn)會(huì)開幕式一樣，這場綻放著“中國式浪漫”的開幕式引發(fā)了各國媒體的高度關(guān)注。外媒認(rèn)為，開幕式低調(diào)簡約、寓意深刻，令人回味無窮?；仡欉@場精彩演出，不難發(fā)現(xiàn)其背后的航天力量。

2019年，具有組織實(shí)施重大宇航發(fā)射任務(wù)經(jīng)驗(yàn)的中國航天科技集團(tuán)正式作為2022年北京冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)開閉幕式技術(shù)保障實(shí)施單位，開啟了長達(dá)3年的冬奧備戰(zhàn)。

中國航天科技集團(tuán)黨組成員、副總經(jīng)理張忠陽說：“冬奧會(huì)的開幕式是導(dǎo)演、演員、舞臺(tái)裝置、電視轉(zhuǎn)播的一次大協(xié)同，一旦啟動(dòng)，就無法暫停，這與航天發(fā)射任務(wù)相似?！?/p>

據(jù)悉，此次航天科技集團(tuán)共承擔(dān)了11個(gè)大項(xiàng)目，分別為地面舞臺(tái)（含旗桿設(shè)備）、威亞、火炬、冰立方（含五環(huán)）、指揮監(jiān)控、通信系統(tǒng)、地面顯示系統(tǒng)、冰瀑、指揮中心、央視視頻播放及VR、視頻渲染機(jī)房。

冰雪五環(huán)是此次開幕式的一大亮點(diǎn)，晶瑩的冰雪五環(huán)“破冰而出”成為本屆冬奧會(huì)開幕式的經(jīng)典瞬間。這個(gè)“冰立方”可謂是整個(gè)開閉幕式里最大功率的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。它的長寬高分別為22米、7米和10米，重量達(dá)400噸，升降重量達(dá)180噸，升降載荷超過一般劇院大型升降臺(tái)的8倍。

按照設(shè)計(jì)，“冰立方”升起來之前要“藏”在一個(gè)巨大的地倉里，地倉長度是84米，寬42米，深度10米。為此，設(shè)計(jì)師采用了多級的折疊結(jié)構(gòu)，使其升降最大速度達(dá)到每秒0.28米，完成整個(gè)升起過程最短耗時(shí)僅43秒，運(yùn)行誤差只有正負(fù)1毫米。

冰雪五環(huán)“破冰而出”

主火炬“飛揚(yáng)”

“馭風(fēng)術(shù)”試驗(yàn)場景

主火炬“飛揚(yáng)”亮相一直是觀眾期待的場景之一，其燃燒系統(tǒng)是主火炬的核心組成部分。此次開幕式，手持火炬及主火炬均采用綠色環(huán)保、燃燒性好的氫氣作為燃料，實(shí)現(xiàn)了冬奧會(huì)歷史上火炬的零碳排放。

此外，針對火焰顏色可視化需求，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在氫氣火焰區(qū)中以特殊方式植入微量顯色劑配方。采用線性多點(diǎn)式耦合燃?xì)夥峙浼夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)了火焰“飛揚(yáng)”飄逸的造型。

據(jù)介紹，經(jīng)過航天人自主創(chuàng)新的“飛揚(yáng)”火炬，可在10級強(qiáng)風(fēng)、零下40℃低溫、暴雨以及5000米高海拔等環(huán)境下，保持穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)。

舞臺(tái)兩側(cè)的旗桿設(shè)計(jì)工作也由航天人完成。相較于2008年北京夏季奧運(yùn)會(huì)的旗桿，此次冬奧會(huì)的旗桿增加了旋轉(zhuǎn)功能，可以更好地適應(yīng)場館的風(fēng)向變化。

對此，張藝謀評價(jià)稱：“技術(shù)裝置運(yùn)行一氣呵成，平穩(wěn)流暢，超出了導(dǎo)演團(tuán)隊(duì)的預(yù)期與想象?！本W(wǎng)友們紛紛留言：“你可以永遠(yuǎn)相信中國航天”“這是浪漫的雙向奔赴”。

2月5日晚，中國短道速滑混合團(tuán)體以2分37秒348的成績，摘得北京冬奧會(huì)中國隊(duì)的首枚金牌。在短道速滑等項(xiàng)目的訓(xùn)練中，一項(xiàng)航天技術(shù)成為運(yùn)動(dòng)員的“神助攻”。

這項(xiàng)技術(shù)就是在導(dǎo)彈、火箭和飛機(jī)設(shè)計(jì)中使用的“風(fēng)洞”。該技術(shù)可以讓運(yùn)動(dòng)員實(shí)時(shí)了解每個(gè)姿態(tài)下的精確阻力值，通過不斷訓(xùn)練形成肌肉記憶，找到最佳運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，甚至被網(wǎng)友形象地稱為“馭風(fēng)術(shù)”。

“藏”在地倉里的冰雪五環(huán)

冬奧會(huì)旗桿

通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室空氣動(dòng)力學(xué)測試，以減少空氣阻力為目標(biāo)，可以對運(yùn)動(dòng)員保持何種姿態(tài)，以及運(yùn)動(dòng)員的服裝面料、頭盔、雪車等運(yùn)動(dòng)器材如何設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化組合，獲取最佳運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。

據(jù)相關(guān)航天科研人員介紹，許多中國的奧運(yùn)冠軍都是在風(fēng)洞中“吹”出來的。

2020年10月，中國首座體育綜合訓(xùn)練風(fēng)洞正式啟用。風(fēng)洞口徑寬2.5米，高3米，測試段長度8米，設(shè)計(jì)風(fēng)速151.2公里/小時(shí)，最大風(fēng)速可達(dá)每秒42米，相當(dāng)于14級強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，基本上涵蓋了所有冰雪運(yùn)動(dòng)所涉及的風(fēng)速范圍。

據(jù)參與風(fēng)洞設(shè)計(jì)的航天科技集團(tuán)十一院三所工程師鄭劉介紹，開展測試時(shí)，運(yùn)動(dòng)員們會(huì)站在特制的六分量傳感器上，風(fēng)洞會(huì)制造出該運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)，通過六分量傳感器測出不同動(dòng)作姿態(tài)下阻力的變化，尋找和鎖定風(fēng)阻最小的動(dòng)作和姿勢，以提高速度。

相關(guān)技術(shù)專業(yè)人員提供的數(shù)據(jù)顯示，如果空氣阻力能夠減少10%，運(yùn)動(dòng)員的成績便能提高1%，而1%甚至1‰秒的差距都可能是決定勝負(fù)的關(guān)鍵。

航天科技集團(tuán)十一院三所軍民融合處研究員、體育綜合訓(xùn)練風(fēng)洞專家團(tuán)隊(duì)成員李玉秋說，許多冰雪運(yùn)動(dòng)強(qiáng)國已經(jīng)廣泛采用了風(fēng)洞進(jìn)行針對性訓(xùn)練。我國在這方面的應(yīng)用起步雖然較晚，但得益于我國航天技術(shù)的高速發(fā)展，目前我國的體育風(fēng)洞技術(shù)已經(jīng)完全趕超西方國家。

（圖片除署名外均由航天科工三院31所提供）