空天科技助力冬奥

中国航天科工二院天剑中心

徐海月 戴小江

担任冬奥会安保任务的直8 直升机

航空航天被誉为科技领域的皇冠和明珠，在北京冬奥会上，空天科技的力量不容小觑。在冬奥安保和航空救援方面，航空装备撑起了空中坚盾。早在2020 年11 月，大庆航空救援支队的直8 直升机就驻防张家口，开始执行冬奥会安保任务，并开展了崇礼冬奥会核心区空中巡护、森林防火灭火、冬奥会安保等航空救援任务。2 月10 日，国家高山滑雪中心直升机救援队接到指令，用直升机转运一名在高山滑雪男子全能速滑项目中受伤的外籍运动员，这也是本届冬奥会开赛以来，空中医疗队首次执行救援任务。

在开闭幕式舞台、空中设施、地面显示系统等方面，则有很多航天技术的支持。负责张家口赛区自动气象站研发任务的中国航天科工二院23所，为冬奥气象建立了“三维、秒级、多要素”的立体气象观测网。在气象站的电子屏幕上，温度、湿度、气压、风速、风向和降水量等变化曲线实时显示，这些数据同时会被上传至中心站，为张家口赛区相关活动气象服务保障工作提供了有力支撑。

在16 天的精彩比赛中，我国体育健儿的表现抢眼，一举夺得9 金、4 银、2 铜，在奖牌榜上位列第三，刷新了中国在冬奥会上的最佳战绩。这些成绩的取得，与运动员、教练员们坚持不懈的努力密不可分，而其背后空天科技力量的加持，也同样发挥着关键作用。航空工业和航天科技两大央企分别为我国冬季项目“量身定制”了体育风洞，为运动员的科学训练提供支持，帮助我国冬奥健儿取得佳绩。

汽车公司在进行车辆外形设计时广泛采用吹风实验

提到风洞，人们首先想到的往往都是军事上用于测试飞行器或航天器在大气层内飞行各项参数的各类风洞，如美国卡尔斯本大学巴法罗研究中心（CUBRC）的LENS系列激波风洞、我国JF-12 激波风洞等，它们为真实气体效应、燃烧现象和气动光学现象等军事课题的研究发挥了重要作用。

不过，军事研究带动技术进步终归会反哺到民用产品的设计建造中。早些年只有军用飞机、航天载人试验才会用上的大尺寸风洞，现在已在民用大飞机制造、汽车外形设计等领域得到了广泛使用。如今，利用风洞进行针对性训练已经被冰雪运动强国普遍采用，利用风洞优化运动员姿态、装备及服装的气动性能，成为提高运动员竞技成绩的重要科技手段之一。

航空工业空气动力研究院研制的体育科研训练风洞

2019 年，国家体育总局提出希望能利用先进的航空气动力技术助力体育强国建设。航空工业空气动力研究院与国家体育总局合作，开始研制体育风洞。几年间，研制团队基于航空空气动力学技术成果，深入开展体育空气动力学相关研究工作，结合冬季运动项目特点，先后为国家队建设了4 座体育科研训练风洞，分别安装于崇礼、坝上、涞源及秦皇岛训练基地。

位于河北涞源的国家跳台滑雪体育综合实验室，建设过程历时不到5 个月，创造了同类训练设施建设的最短完工时间纪录。这座为中国跳台滑雪项目量身打造的专用科研训练风洞，由洞体、动力系统、试验平台、动力控制系统、测量与监控系统等五部分组成，是世界最大、风速控制最精密、测试功能最全面的跳台滑雪训练设施。洞体总长64.3 米、宽25.2 米、高17.6 米，试验段宽3.5 米、高4.5 米，最大风速可达42 米/秒。该风洞拥有水平、起跳、飞跃3 个试验段，布置有测力系统，可满足运动员科研训练的测力需求。各试验段通过模拟坡度、气象、风速等数据，在水平、11 度角、32 度角，分别训练运动员助滑阶段阻力测量、起跳瞬间左右脚受力情况和双脚蹬地力的均匀性，为运动员全过程技术动作的训练测试、数据分析和技术指导提供支撑，锻炼运动员在空中保持最佳姿态和驾驭雪板飞行的平衡能力，帮助运动员更精准地改进技术动作、提高竞技能力和运动成绩。

以往我国运动员每年都得专程到国外进行风洞训练，时间和经济成本极高，国内专业风洞设施的建成使得运动员在“家门口”就可以进行训练，风洞能大大提高训练效率，有助于运动员在仿真风阻中尝试在跳台上想做而不能做的技术动作。

运动员在风洞中进行训练

在真实场地进行跳台滑雪，运动员每次滑行、特别是空中滑跃的持续时间非常短暂，而上下跳台耗时较长，一个运动员一天只能跳5 -8次，关键的滞空环节能积累下的训练量非常有限，而且被严重地分散了。在风洞中训练，运动员可以长时间停留在高速气流模拟的滞空状态下，每次能练2 -3 分钟，训练效率有了极大的提升。技术人员通过数据记录分析运动员在风洞中的各种姿态，帮助其找到在空中阻力最小、飞行时间最长的最优动作。不仅延长了训练时间，还大大提升了运动员训练的安全性。本届奥运会滑雪项目取得的巨大进步，就凸显了科学训练的价值，也是国家体育总局提倡的“科技助力奥运”理念的最佳实证。

“吊飞”是跳台滑雪中的一项重要训练。运动员在安全绳的牵引下腾空，处于空气动力和身体重力受力平衡状态时，可以做出跳台滑雪的空中飞行姿势并尝试调整身体姿态，体会对身体平衡性的影响，有效提升保持最佳姿态驾驭雪板飞行的平衡能力。

中国航天科技集团十一院承建的体育综合训练风洞，于2020 年10月25 日在北京二七厂国家冰雪运动训练科研基地正式启用。该风洞由钢流道系统、动力系统、测试系统、控制系统、附属配套系统、流场校测装置和温控系统等组成，是一座开口回流式（带驻室）风洞。所谓回流式风洞，指的是空气在一个管道内循环流动，减少了外界环境的干扰，使空气的各项指标参数更加容易控制，提高了实验数据的精确性；开口式风洞则指试验段（即运动员接受训练测试的地方）未作封闭，通过与驻室相配套，在保证实验精确性的同时，拓展风洞的试验范围，改善运动员的试验环境，提高训练质量。这类风洞具有建造成本低、易于操作调节、没有废气产物堆积等优点，特别适于运动员训练和有运动员参与的装备优化设计。

航天科技十一院第三研究所自主设计建造的体育综合训练风洞结构模型（航天科技十一院供图）

该风洞喷口宽2.5 米、高3 米，试验区长8 米，最大风速42 米/秒，性能处于同行业领先水平。其在流场品质、测试精度等方面优于已知的国外类似风洞，尺寸规模和风速范围可满足滑雪、滑冰、雪橇等冬季运动项目及部分夏季运动项目的模拟需求，能帮助判断和优化运动员最佳竞技姿态，检测和标定参赛装备性能。

同时，风洞内装有新风系统，通过大量研究模拟确定了送风量及送风温湿度，保障了试验段环境贴合运动员比赛环境，最大程度还原了比赛场景。该风洞还创新性地采用了多种降噪技术，尽可能降低各种设备运行噪声对运动员的干扰影响，提升了试验的舒适度和测试效果。

速滑运动员在风洞中进行姿态训练

该设备建成后便立即投入到紧张的实战中。一方面，为运动员的训练提供了科学指导，将运动员不同姿态下的风阻数据进行科学分析，帮助他们在训练中形成肌肉记忆，便于其通过训练形成最佳的运动姿态。同时，还可以研究不同编队形式对运动员的影响，为其寻找最有利位置提供帮助。另一方面，风洞作为“减阻”利器，还可以对参赛服、雪橇车等运动装备和器械等进行减阻设计，为装备的优化改型提供数据支撑。

近年来，利用各类高技术设施、手段进行针对性训练已经被运动强国广泛采用，成为提高运动员竞技成绩的重要途径之一。我国虽然是体育大国，但在建设辅助训练设施方面起步较晚。借举办冬奥的契机，大力发展高技术辅助体育训练方法和设备设施，必将为我国运动员提升训练效率、提高训练效果，进而在赛场创造佳绩提供新的强势助力。

双人雪车运动员在风洞中进行训练