航天“黑科技”燃亮北京冬奥会

文/航奥

北京冬奥会为我们贡献了无数个精彩瞬间，但你可能不知道，小到手持火炬和片片雪花，大到充满梦幻之美的开幕式和赛场环境，都少不了航天“黑科技”助力。可以说，本届冬奥会成为中国航天人展现实力的绝佳舞台。

航天技术打造水陆环保火炬

2月2日，北京冬奥会火炬传递活动正式启动，多位航天人担任火炬手，而火炬传递过程中展现的航天技术同样引人注目。

北京冬奥会手持火炬绰号“飞扬”，造型别致，如丝带飘舞，旋转上升，最后呈现为飞扬的火焰。这款手持火炬的核心关键技术来自航天科技集团六院。原本用于液体火箭发动机的氢能技术“大展身手”，造就了世界上首款高压储氢火炬，首次实现冬奥会火炬零碳排放。

实现这一切可不容易，飘带造型使得“飞扬”内部可用空间有限，燃烧装置等部件研制、布置面临一系列挑战。另外，氢气虽然是绿色环保燃料，但也存在易爆炸、易泄漏、泄漏时因无色无味而不易被发现等隐患。为此，手持火炬应用了配套的高压储氢方案，其内核燃烧系统从底部到顶部分别是气瓶、控氢阀和燃烧器。

航天科工集团三院海鹰空天材料研究院承担了高压储氢气瓶的研制任务，突破了超薄壁气瓶加热收口成形、热处理变形控制、大壁厚瓶口旋压增厚及精加工、弱刚性薄壁壳体复材缠绕等关键技术，首次实现了旋压技术在奥运产品上的直接应用。

控氢阀是安装在气瓶口的组合阀门，包括减压阀，主要用于将气瓶内的高压氢气减压稳压。要知道，“飞扬”手持火炬内部元件承受压力达42兆帕，相当于传统火炬的50多倍，堪比4200米深海水压，必须依靠减压阀将压力控制在近似大气压水平，即将压力降低至1/420。为充分利用手持火炬内部空间，科研人员应用了微型轻量化技术，对控氢阀进行“瘦身”，整合功能模块，优化内部零件布局，尽可能压缩内部细小流道，使阀门长度缩短32%，减轻至290克，仅相当于1袋牛奶的重量。

手持火炬能在各种环境下燃烧，离不开燃烧器发挥作用。为了实现火焰着色，科研人员尝试了很多方法，甚至在家里煤气灶上“做文章”，这才有了稳定可视的火焰。科研人员对整个手持火炬燃烧系统进行了300多次可靠性试验，堪称“千锤百炼”，确保“飞扬”能在10级强风、零下40摄氏度、暴雨及5000米高海拔等恶劣环境下燃烧稳定。

似乎是为了证明北京冬奥会火炬蕴含的“黑科技”有多强，2月2日下午，奥运史上首次开展机器人与机器人之间水下火炬传递，水陆两栖机器人与水下变结构机器人上演“水火交融”。

这款水下火炬是航天科工集团三院31所特别研制的，是世界上第一支可以在水下清洁燃烧的气态燃料火炬，能在水下实现火焰对接。此前，国外的水下火炬采用固体燃料，多有烟雾污染，中国航天人创新采用气态燃料，火焰环保又极富美感。

水下如何燃烧？其实，燃烧的必要条件是可燃物、助燃剂和达到着火点的温度。水灭火的本质是把可燃物与氧气助燃剂隔离，或让温度低于着火点，只要克服这两点，水下燃烧就不成问题。

▲ 航天专家叶培建院士参与北京冬奥会火炬传递

▲ 机器人入水传递火炬

科研人员选择了新型燃烧组织结构，使燃料和氧气预先在封闭的燃烧器内混合成均匀气体，形成一定浓度的可燃物混合体，又给火焰加了“防水罩”，采用气动旋流火焰保护设计方案，使火焰不受水冷却影响。多次水下试验证明，水下火炬在各种倾斜角度和上升、下降、前进、后退、旋转等多样运动条件下都能稳定可靠地燃烧。

航天人助力开幕式惊艳全球

2月4日冬奥会开幕式上，北京再次惊艳世界。航天科技集团承担了地面舞台（含旗杆设备）、威亚、火炬、冰立方（含五环）、指挥监控、通信系统、地面显示系统、冰瀑、指挥中心、央视视频播放及VR、视频渲染机房等11个大项目，航天科工集团多个单位参与了数字化演练系统、入场人员电子票证系统等项目的研发工作，平稳流畅、一气呵成地实现了张艺谋导演的吉言：“我负责精彩，航天负责成功。”

负责主火炬的团队来自航天科技集团六院北京11所和101所，他们在幕后贡献了令全球观众赞叹的精彩场面。6名旗手入场时，在距离鸟巢体育场地面45米的空中，主火炬执行机构开始运转，6根管线缓缓下垂。地面中心台的盖子滑开，露出藏在地下的“雪花”主火炬。黑暗中，技术人员身着黑衣，把垂下的6根管线快速接插到“雪花”上。最先接通的2条线是电缆和网线，“雪花”的实时状态反馈到控制室并接收指令，主火炬有了“神经”；然后是2根氢气管插接成功，氢燃料供应正常，主火炬有了“大动脉”；接着，2根威亚钢索准备拉起“雪花”，凌空起舞。

震撼人心的冰立方长、宽、高分别是22米、7米、10米，重达400吨，升降重量180吨，升降载荷超过一般剧院大型升降台的8倍，技术难度很大。为此，航天科技集团一院15所应用了多级折叠结构，使升降最大速度稳定在0.28米/秒，整个升起过程最短耗时43秒，运行误差只有正负1毫米。

冰立方升起后，奥运五环慢慢碎冰呈现。因为有严格的重量限制，奥运五环体量很大，但厚度很薄，“天生刚度不足”，重心易偏离，造成不小的吊装难度。为此，航天人做了多次仿真和现场试验，确保奥运五环完美亮相。

这次开幕式一大新奇之处是，最后一棒的手持火炬就是主火炬。火炬手把“飞扬”插入“雪花”中心，使空中的氢气供给系统与主火炬连通。为了让火焰“更好看”，航天工程研发管理经验派上用场，从局部关键技术开始，逐步推进到分系统研发，经过必要测试环节后定型，并对关键环节进行冗余设计。

例如，以特殊方式植入微量显色剂配方，利用碱金属中的原子受热会发生能量跃迁的原理，安全、环保地实现氢气火焰的可视性；采用线性多点式耦合燃气分配技术，造就火焰飞扬飘逸的美态；“雪花”采用彩色LED直显屏，使每个发光点颜色、亮度独立可控，出光面根据舞美造型随型设计，镂空减重又美观，灯光图案能够多彩变化……

值得一提的是，主火炬的氢燃料存放在35兆帕储氢罐中，压力是大气压的350倍，减压技术难度很大，在火箭发动机的应用上也不多见。

主火炬从地面升到空中，科研人员选择从“天上”供气，储氢罐通过威亚系统悬挂在45米高的暗处。为了平时反复演练排故，距鸟巢50公里的航天器回收着陆地面综合试验场布置了主火炬的等比例样件。这里隶属于航天科技集团五院508所，塔架曾吊起嫦娥探测器，还曾参与过载人航天工程关键技术验证，能将“雪花”吊高近30米，与鸟巢内基本一致。

▲ 北京冬奥会主火炬

▲ 奥运五环碎冰而出

开幕式舞台展现巨大地屏

开幕式上，鸟巢中央巨大的舞台和巨幅地屏令人震撼。其中，舞台系统由航天科技集团一院15所负责，地屏由12所建设。整个地面舞台系统施工面积约21000平方米，4万多块屏幕组成10522平方米地面显示屏，加上舞台中央巨大的升降台，堪称世界之最。其实，每块小屏幕由AB两块屏幕构成，灯珠、供电、信号等都是AB两路，这就是航天工程中常提到的“双冗余”。

有趣的是，舞台两侧高耸的旗杆也由航天人设计，具备旋转功能，可以更好地适应鸟巢的风向变化，让旗子始终迎风招展。

开幕式演出，信号传输量惊人，强大的播控系统必不可少。依托航天长征云平台，数万个屏幕被串接起来，温度、湿度、电压等工作状态被时刻监控，一旦出现异常，立即发出警报，四路信号确保有足够的容错率。

开幕式上，演员们跟着音乐翩翩起舞，令人陶醉。一些观众注意到，演员戴着类似耳机的装置，这就是航天单位研发的无线FM广播系统，类似收音机，播放节奏乐和编导声音，帮助每个演员动作到位，在应急处理时“一针见效”。

冬奥会开幕式的指挥监控系统基于航天长征云工业互联网平台研发，能够向各分场导演、舞台总监、技术保障人员等提供指令信息。在某环节开始前的30秒，该系统就会倒计时准备，告诉不同岗位人员下一步操作细则，类似火箭发射前的程序。

为更好地掌握开幕式上各类硬件设备的状态，航天技术团队在鸟巢新安装了130余个摄像头，消除视觉死角。根据各岗位在不同活动环节的需求，视频信息可自动按流程推送到各岗位面前。如果出现问题，系统及时通知，应急预案将第一时间启动。

可以说，北京冬奥会开幕式精彩绝伦，中国航天人功不可没。

航天成果全方位保障赛事顺利

北京冬奥会赛事期间，航天技术亮点体现在方方面面，无论是运动器械、训练，还是安防、气象保障，在多个领域都作出巨大贡献。

▲ 航天技术打造先进国产雪车

▲ 航天雷达服务冬奥会气象保障

▲ 航天技术风洞助力冰雪项目训练

2016年我国才成立雪车国家队，起步很晚。2019年10月，航天科技集团一院703所接到制造中国第一台雪车的任务时，甚至没有工程师见过真正的雪车。2021年9月10日，航天技术打造的首辆国产雪车正式交付国家体育总局冬运中心，其突破了低风阻高可靠的外形结构一体化设计、高抗冲复合材料、复杂翼身融合结构一体化高质量成型等关键技术，助力运动健儿拼搏争先。

如果想找到更小的航天“黑科技”运动器械，可以看看大连理工大学研发的滑雪头盔。其运用了航天薄壁结构设计技术，总重仅700克，在不大幅增加厚度和重量的前提下，防护性能超过欧洲标准达20%。要知道，这项技术曾为“胖五”火箭减重1吨多。

过去，冰雪运动训练非常依赖自然条件，运动员很难严格准确地执行训练计划。2020年10月25日，由航天科技集团十一院3所承建的国内首座体育风洞正式启用，成为冰雪运动训练提升的“先行官”。该风洞长期满负荷运行，堪称世界上最繁忙的风洞之一，培养出多名世界冠军。

运动员在雪地飞跃驰骋，激情四射，少不了风雪“配合”，而北京冬奥会气象预报要求达到“百米级、分钟级”，难度很大。航天科工集团二院23所成立冬奥气象保障团队，研发的风廓线雷达和测云雷达每隔5～6分钟就向气象部门传输一组实时探测信息。

其中，风廓线雷达24小时监测风速、风向，在准确度、测量范围、数据密度方面比传统型号都提升了一个层次。为通过严寒考验，这次大量风传感器进行了改造，加热融冰装置解决了机械风传感器雪中凝冻问题。

经过严苛的环境试验后，航天人研发的软件算法可实现雷达无人值守、故障自动监测。比如，测云雷达可以用内网专线的电脑或手机远程监控，把能见度、降雪等数据实时自动发送到用户终端处。

最终，航天人让自动气象站运行起来，每分钟向所在赛区气象服务中心发送一组气象要素数据，包括风向、风速、温度、湿度、雪深等。在冬奥会网站上，每分钟更新的高山滑雪气象数据就由此而来。

冬奥会运动场地大、环境复杂，运动员动作相对危险，难免突发伤病，这要求赛会筹办方及时开展救援行动。航天科技集团九院13所在直-8A直升机的基础上研制了新型医疗救护直升机。“空中医院”集供氧、输液、除颤、体征监护等功能于一体，可同时护送2名重症伤病员和9名轻伤病员，兼顾现场急救及医疗护送，途中可实现生命支持及紧急救治。

北京冬奥会作为国家重大活动项目，对整体安全防控需求极高。航天科工集团二院航天长峰是张家口崇礼赛区社会面的安保总设计和集成任务承担方，应用了移动互联网、物联网、人工智能、5G等先进技术手段，整合共享城区、乡村和奥运核心区连线道路的日常治安防控、交通管理、任务保障、事件处置调度等多种类信息资源，必要时，为执法机关提供“尖刀利器”。

鲜为人知的是，传统安保技术手段未必可靠，比如使用红外技术防止入侵，可能会因为有人晃动或者落叶等产生误报。本届冬奥会，航天长峰应用了新的安保技术，持续降低了技术层面风险，融合多种物理手段，如红外、激光、高压脉冲、无线震动传感器等，做到精确检测入侵并发送警情，建立起人力无法到达区域的安保防线，“远可探，中可管，近可打”，实现对低空、地面和地下三大区域的防控覆盖。

具体来讲，航天长峰安保项目团队基于物联网、大数据和云计算等新技术，将传感器、无人机等先进产品融合运用到安保指挥中，实现了对入侵目标的探测、定位、分类识别、轨迹跟踪等功能，并可通过前端探测设备与声光电联动机制，针对攀爬翻越、掘地入侵、低空抛物、围栏破坏等行为发布警报信息，及时准确地报告入侵异常事件。

此外，安保处置工作要实现全天候、全天时主动防护，航天长峰创新性地构建了安保信息集成平台，将前端视频与二维、三维地图融合为三维实景超级地图，利用AR技术智能标注刻画，直观显示地理、预警、警力等各类资源数据，实现目标区域的数字化全景监测。

▲ “冰墩墩”和“雪容融”登陆火星，为运动健儿加油

▲ 冬奥会医疗救护直升机

中国航天事业不断取得新进展，重大成果不仅仅包括空间站、载人飞船、深空探测器等“高大上”产品，很多技术已经应用到我们的日常生活中，帮助我们学习工作更便利，娱乐享受更多彩。可以说，航天“黑科技”让北京冬奥会精彩、安全、高效又妙趣横生，足见航天人对这项赛事何等重视，连数字航天员小诤与“冰墩墩”“雪容融”都在火星上为运动员们加油呢！（感谢赵聪、刘岩、胡蓝月、邓雨楠、任长胜等对本文的贡献）