空天科技助力冬奧

中國航天科工二院天劍中心

徐海月 戴小江

擔任冬奧會安保任務的直8 直升機

航空航天被譽為科技領(lǐng)域的皇冠和明珠，在北京冬奧會上，空天科技的力量不容小覷。在冬奧安保和航空救援方面，航空裝備撐起了空中堅盾。早在2020 年11 月，大慶航空救援支隊的直8 直升機就駐防張家口，開始執(zhí)行冬奧會安保任務，并開展了崇禮冬奧會核心區(qū)空中巡護、森林防火滅火、冬奧會安保等航空救援任務。2 月10 日，國家高山滑雪中心直升機救援隊接到指令，用直升機轉(zhuǎn)運一名在高山滑雪男子全能速滑項目中受傷的外籍運動員，這也是本屆冬奧會開賽以來，空中醫(yī)療隊首次執(zhí)行救援任務。

在開閉幕式舞臺、空中設(shè)施、地面顯示系統(tǒng)等方面，則有很多航天技術(shù)的支持。負責張家口賽區(qū)自動氣象站研發(fā)任務的中國航天科工二院23所，為冬奧氣象建立了“三維、秒級、多要素”的立體氣象觀測網(wǎng)。在氣象站的電子屏幕上，溫度、濕度、氣壓、風速、風向和降水量等變化曲線實時顯示，這些數(shù)據(jù)同時會被上傳至中心站，為張家口賽區(qū)相關(guān)活動氣象服務保障工作提供了有力支撐。

在16 天的精彩比賽中，我國體育健兒的表現(xiàn)搶眼，一舉奪得9 金、4 銀、2 銅，在獎牌榜上位列第三，刷新了中國在冬奧會上的最佳戰(zhàn)績。這些成績的取得，與運動員、教練員們堅持不懈的努力密不可分，而其背后空天科技力量的加持，也同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。航空工業(yè)和航天科技兩大央企分別為我國冬季項目“量身定制”了體育風洞，為運動員的科學訓練提供支持，幫助我國冬奧健兒取得佳績。

汽車公司在進行車輛外形設(shè)計時廣泛采用吹風實驗

提到風洞，人們首先想到的往往都是軍事上用于測試飛行器或航天器在大氣層內(nèi)飛行各項參數(shù)的各類風洞，如美國卡爾斯本大學巴法羅研究中心（CUBRC）的LENS系列激波風洞、我國JF-12 激波風洞等，它們?yōu)檎鎸崥怏w效應、燃燒現(xiàn)象和氣動光學現(xiàn)象等軍事課題的研究發(fā)揮了重要作用。

不過，軍事研究帶動技術(shù)進步終歸會反哺到民用產(chǎn)品的設(shè)計建造中。早些年只有軍用飛機、航天載人試驗才會用上的大尺寸風洞，現(xiàn)在已在民用大飛機制造、汽車外形設(shè)計等領(lǐng)域得到了廣泛使用。如今，利用風洞進行針對性訓練已經(jīng)被冰雪運動強國普遍采用，利用風洞優(yōu)化運動員姿態(tài)、裝備及服裝的氣動性能，成為提高運動員競技成績的重要科技手段之一。

航空工業(yè)空氣動力研究院研制的體育科研訓練風洞

2019 年，國家體育總局提出希望能利用先進的航空氣動力技術(shù)助力體育強國建設(shè)。航空工業(yè)空氣動力研究院與國家體育總局合作，開始研制體育風洞。幾年間，研制團隊基于航空空氣動力學技術(shù)成果，深入開展體育空氣動力學相關(guān)研究工作，結(jié)合冬季運動項目特點，先后為國家隊建設(shè)了4 座體育科研訓練風洞，分別安裝于崇禮、壩上、淶源及秦皇島訓練基地。

位于河北淶源的國家跳臺滑雪體育綜合實驗室，建設(shè)過程歷時不到5 個月，創(chuàng)造了同類訓練設(shè)施建設(shè)的最短完工時間紀錄。這座為中國跳臺滑雪項目量身打造的專用科研訓練風洞，由洞體、動力系統(tǒng)、試驗平臺、動力控制系統(tǒng)、測量與監(jiān)控系統(tǒng)等五部分組成，是世界最大、風速控制最精密、測試功能最全面的跳臺滑雪訓練設(shè)施。洞體總長64.3 米、寬25.2 米、高17.6 米，試驗段寬3.5 米、高4.5 米，最大風速可達42 米/秒。該風洞擁有水平、起跳、飛躍3 個試驗段，布置有測力系統(tǒng)，可滿足運動員科研訓練的測力需求。各試驗段通過模擬坡度、氣象、風速等數(shù)據(jù)，在水平、11 度角、32 度角，分別訓練運動員助滑階段阻力測量、起跳瞬間左右腳受力情況和雙腳蹬地力的均勻性，為運動員全過程技術(shù)動作的訓練測試、數(shù)據(jù)分析和技術(shù)指導提供支撐，鍛煉運動員在空中保持最佳姿態(tài)和駕馭雪板飛行的平衡能力，幫助運動員更精準地改進技術(shù)動作、提高競技能力和運動成績。

以往我國運動員每年都得專程到國外進行風洞訓練，時間和經(jīng)濟成本極高，國內(nèi)專業(yè)風洞設(shè)施的建成使得運動員在“家門口”就可以進行訓練，風洞能大大提高訓練效率，有助于運動員在仿真風阻中嘗試在跳臺上想做而不能做的技術(shù)動作。

運動員在風洞中進行訓練

在真實場地進行跳臺滑雪，運動員每次滑行、特別是空中滑躍的持續(xù)時間非常短暫，而上下跳臺耗時較長，一個運動員一天只能跳5 -8次，關(guān)鍵的滯空環(huán)節(jié)能積累下的訓練量非常有限，而且被嚴重地分散了。在風洞中訓練，運動員可以長時間停留在高速氣流模擬的滯空狀態(tài)下，每次能練2 -3 分鐘，訓練效率有了極大的提升。技術(shù)人員通過數(shù)據(jù)記錄分析運動員在風洞中的各種姿態(tài)，幫助其找到在空中阻力最小、飛行時間最長的最優(yōu)動作。不僅延長了訓練時間，還大大提升了運動員訓練的安全性。本屆奧運會滑雪項目取得的巨大進步，就凸顯了科學訓練的價值，也是國家體育總局提倡的“科技助力奧運”理念的最佳實證。

“吊飛”是跳臺滑雪中的一項重要訓練。運動員在安全繩的牽引下騰空，處于空氣動力和身體重力受力平衡狀態(tài)時，可以做出跳臺滑雪的空中飛行姿勢并嘗試調(diào)整身體姿態(tài)，體會對身體平衡性的影響，有效提升保持最佳姿態(tài)駕馭雪板飛行的平衡能力。

中國航天科技集團十一院承建的體育綜合訓練風洞，于2020 年10月25 日在北京二七廠國家冰雪運動訓練科研基地正式啟用。該風洞由鋼流道系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、附屬配套系統(tǒng)、流場校測裝置和溫控系統(tǒng)等組成，是一座開口回流式（帶駐室）風洞。所謂回流式風洞，指的是空氣在一個管道內(nèi)循環(huán)流動，減少了外界環(huán)境的干擾，使空氣的各項指標參數(shù)更加容易控制，提高了實驗數(shù)據(jù)的精確性；開口式風洞則指試驗段（即運動員接受訓練測試的地方）未作封閉，通過與駐室相配套，在保證實驗精確性的同時，拓展風洞的試驗范圍，改善運動員的試驗環(huán)境，提高訓練質(zhì)量。這類風洞具有建造成本低、易于操作調(diào)節(jié)、沒有廢氣產(chǎn)物堆積等優(yōu)點，特別適于運動員訓練和有運動員參與的裝備優(yōu)化設(shè)計。

航天科技十一院第三研究所自主設(shè)計建造的體育綜合訓練風洞結(jié)構(gòu)模型（航天科技十一院供圖）

該風洞噴口寬2.5 米、高3 米，試驗區(qū)長8 米，最大風速42 米/秒，性能處于同行業(yè)領(lǐng)先水平。其在流場品質(zhì)、測試精度等方面優(yōu)于已知的國外類似風洞，尺寸規(guī)模和風速范圍可滿足滑雪、滑冰、雪橇等冬季運動項目及部分夏季運動項目的模擬需求，能幫助判斷和優(yōu)化運動員最佳競技姿態(tài)，檢測和標定參賽裝備性能。

同時，風洞內(nèi)裝有新風系統(tǒng)，通過大量研究模擬確定了送風量及送風溫濕度，保障了試驗段環(huán)境貼合運動員比賽環(huán)境，最大程度還原了比賽場景。該風洞還創(chuàng)新性地采用了多種降噪技術(shù)，盡可能降低各種設(shè)備運行噪聲對運動員的干擾影響，提升了試驗的舒適度和測試效果。

速滑運動員在風洞中進行姿態(tài)訓練

該設(shè)備建成后便立即投入到緊張的實戰(zhàn)中。一方面，為運動員的訓練提供了科學指導，將運動員不同姿態(tài)下的風阻數(shù)據(jù)進行科學分析，幫助他們在訓練中形成肌肉記憶，便于其通過訓練形成最佳的運動姿態(tài)。同時，還可以研究不同編隊形式對運動員的影響，為其尋找最有利位置提供幫助。另一方面，風洞作為“減阻”利器，還可以對參賽服、雪橇車等運動裝備和器械等進行減阻設(shè)計，為裝備的優(yōu)化改型提供數(shù)據(jù)支撐。

近年來，利用各類高技術(shù)設(shè)施、手段進行針對性訓練已經(jīng)被運動強國廣泛采用，成為提高運動員競技成績的重要途徑之一。我國雖然是體育大國，但在建設(shè)輔助訓練設(shè)施方面起步較晚。借舉辦冬奧的契機，大力發(fā)展高技術(shù)輔助體育訓練方法和設(shè)備設(shè)施，必將為我國運動員提升訓練效率、提高訓練效果，進而在賽場創(chuàng)造佳績提供新的強勢助力。

雙人雪車運動員在風洞中進行訓練