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空天科技助力冬奧

2022-05-21 01:16:18中國航天科工二院天劍中心
航空世界 2022年2期

中國航天科工二院天劍中心

徐海月 戴小江

擔(dān)任冬奧會安保任務(wù)的直8 直升機(jī)

航空航天被譽(yù)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(jiān)盾。早在2020 年11 月,大慶航空救援支隊(duì)的直8 直升機(jī)就駐防張家口,開始執(zhí)行冬奧會安保任務(wù),并開展了崇禮冬奧會核心區(qū)空中巡護(hù)、森林防火滅火、冬奧會安保等航空救援任務(wù)。2 月10 日,國家高山滑雪中心直升機(jī)救援隊(duì)接到指令,用直升機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)一名在高山滑雪男子全能速滑項(xiàng)目中受傷的外籍運(yùn)動員,這也是本屆冬奧會開賽以來,空中醫(yī)療隊(duì)首次執(zhí)行救援任務(wù)。

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(fù)責(zé)張家口賽區(qū)自動氣象站研發(fā)任務(wù)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(fēng)速、風(fēng)向和降水量等變化曲線實(shí)時(shí)顯示,這些數(shù)據(jù)同時(shí)會被上傳至中心站,為張家口賽區(qū)相關(guān)活動氣象服務(wù)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(yùn)動員、教練員們堅(jiān)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(xiàng)目“量身定制”了體育風(fēng)洞,為運(yùn)動員的科學(xué)訓(xùn)練提供支持,幫助我國冬奧健兒取得佳績。

汽車公司在進(jìn)行車輛外形設(shè)計(jì)時(shí)廣泛采用吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)

提到風(fēng)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(xiàng)參數(shù)的各類風(fēng)洞,如美國卡爾斯本大學(xué)巴法羅研究中心(CUBRC)的LENS系列激波風(fēng)洞、我國JF-12 激波風(fēng)洞等,它們?yōu)檎鎸?shí)氣體效應(yīng)、燃燒現(xiàn)象和氣動光學(xué)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(jìn)步終歸會反哺到民用產(chǎn)品的設(shè)計(jì)建造中。早些年只有軍用飛機(jī)、航天載人試驗(yàn)才會用上的大尺寸風(fēng)洞,現(xiàn)在已在民用大飛機(jī)制造、汽車外形設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到了廣泛使用。如今,利用風(fēng)洞進(jìn)行針對性訓(xùn)練已經(jīng)被冰雪運(yùn)動強(qiáng)國普遍采用,利用風(fēng)洞優(yōu)化運(yùn)動員姿態(tài)、裝備及服裝的氣動性能,成為提高運(yùn)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(xùn)練風(fēng)洞

2019 年,國家體育總局提出希望能利用先進(jìn)的航空氣動力技術(shù)助力體育強(qiáng)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(fēng)洞。幾年間,研制團(tuán)隊(duì)基于航空空氣動力學(xué)技術(shù)成果,深入開展體育空氣動力學(xué)相關(guān)研究工作,結(jié)合冬季運(yùn)動項(xiàng)目特點(diǎn),先后為國家隊(duì)建設(shè)了4 座體育科研訓(xùn)練風(fēng)洞,分別安裝于崇禮、壩上、淶源及秦皇島訓(xùn)練基地。

位于河北淶源的國家跳臺滑雪體育綜合實(shí)驗(yàn)室,建設(shè)過程歷時(shí)不到5 個(gè)月,創(chuàng)造了同類訓(xùn)練設(shè)施建設(shè)的最短完工時(shí)間紀(jì)錄。這座為中國跳臺滑雪項(xiàng)目量身打造的專用科研訓(xùn)練風(fēng)洞,由洞體、動力系統(tǒng)、試驗(yàn)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(fēng)速控制最精密、測試功能最全面的跳臺滑雪訓(xùn)練設(shè)施。洞體總長64.3 米、寬25.2 米、高17.6 米,試驗(yàn)段寬3.5 米、高4.5 米,最大風(fēng)速可達(dá)42 米/秒。該風(fēng)洞擁有水平、起跳、飛躍3 個(gè)試驗(yàn)段,布置有測力系統(tǒng),可滿足運(yùn)動員科研訓(xùn)練的測力需求。各試驗(yàn)段通過模擬坡度、氣象、風(fēng)速等數(shù)據(jù),在水平、11 度角、32 度角,分別訓(xùn)練運(yùn)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(yùn)動員全過程技術(shù)動作的訓(xùn)練測試、數(shù)據(jù)分析和技術(shù)指導(dǎo)提供支撐,鍛煉運(yùn)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(yùn)動員更精準(zhǔn)地改進(jìn)技術(shù)動作、提高競技能力和運(yùn)動成績。

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

運(yùn)動員在風(fēng)洞中進(jìn)行訓(xùn)練

在真實(shí)場地進(jìn)行跳臺滑雪,運(yùn)動員每次滑行、特別是空中滑躍的持續(xù)時(shí)間非常短暫,而上下跳臺耗時(shí)較長,一個(gè)運(yùn)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(xùn)練量非常有限,而且被嚴(yán)重地分散了。在風(fēng)洞中訓(xùn)練,運(yùn)動員可以長時(shí)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(xùn)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(yùn)動員在風(fēng)洞中的各種姿態(tài),幫助其找到在空中阻力最小、飛行時(shí)間最長的最優(yōu)動作。不僅延長了訓(xùn)練時(shí)間,還大大提升了運(yùn)動員訓(xùn)練的安全性。本屆奧運(yùn)會滑雪項(xiàng)目取得的巨大進(jìn)步,就凸顯了科學(xué)訓(xùn)練的價(jià)值,也是國家體育總局提倡的“科技助力奧運(yùn)”理念的最佳實(shí)證。

“吊飛”是跳臺滑雪中的一項(xiàng)重要訓(xùn)練。運(yùn)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(shí),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(tuán)十一院承建的體育綜合訓(xùn)練風(fēng)洞,于2020 年10月25 日在北京二七廠國家冰雪運(yùn)動訓(xùn)練科研基地正式啟用。該風(fēng)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(fēng)洞。所謂回流式風(fēng)洞,指的是空氣在一個(gè)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(xiàng)指標(biāo)參數(shù)更加容易控制,提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性;開口式風(fēng)洞則指試驗(yàn)段(即運(yùn)動員接受訓(xùn)練測試的地方)未作封閉,通過與駐室相配套,在保證實(shí)驗(yàn)精確性的同時(shí),拓展風(fēng)洞的試驗(yàn)范圍,改善運(yùn)動員的試驗(yàn)環(huán)境,提高訓(xùn)練質(zhì)量。這類風(fēng)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(diǎn),特別適于運(yùn)動員訓(xùn)練和有運(yùn)動員參與的裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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

該風(fēng)洞噴口寬2.5 米、高3 米,試驗(yàn)區(qū)長8 米,最大風(fēng)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(fēng)洞,尺寸規(guī)模和風(fēng)速范圍可滿足滑雪、滑冰、雪橇等冬季運(yùn)動項(xiàng)目及部分夏季運(yùn)動項(xiàng)目的模擬需求,能幫助判斷和優(yōu)化運(yùn)動員最佳競技姿態(tài),檢測和標(biāo)定參賽裝備性能。

同時(shí),風(fēng)洞內(nèi)裝有新風(fēng)系統(tǒng),通過大量研究模擬確定了送風(fēng)量及送風(fēng)溫濕度,保障了試驗(yàn)段環(huán)境貼合運(yùn)動員比賽環(huán)境,最大程度還原了比賽場景。該風(fēng)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(yùn)行噪聲對運(yùn)動員的干擾影響,提升了試驗(yàn)的舒適度和測試效果。

速滑運(yùn)動員在風(fēng)洞中進(jìn)行姿態(tài)訓(xùn)練

該設(shè)備建成后便立即投入到緊張的實(shí)戰(zhàn)中。一方面,為運(yùn)動員的訓(xùn)練提供了科學(xué)指導(dǎo),將運(yùn)動員不同姿態(tài)下的風(fēng)阻數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析,幫助他們在訓(xùn)練中形成肌肉記憶,便于其通過訓(xùn)練形成最佳的運(yùn)動姿態(tài)。同時(shí),還可以研究不同編隊(duì)形式對運(yùn)動員的影響,為其尋找最有利位置提供幫助。另一方面,風(fēng)洞作為“減阻”利器,還可以對參賽服、雪橇車等運(yùn)動裝備和器械等進(jìn)行減阻設(shè)計(jì),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(jìn)行針對性訓(xùn)練已經(jīng)被運(yùn)動強(qiáng)國廣泛采用,成為提高運(yùn)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(xùn)練設(shè)施方面起步較晚。借舉辦冬奧的契機(jī),大力發(fā)展高技術(shù)輔助體育訓(xùn)練方法和設(shè)備設(shè)施,必將為我國運(yùn)動員提升訓(xùn)練效率、提高訓(xùn)練效果,進(jìn)而在賽場創(chuàng)造佳績提供新的強(qiáng)勢助力。

雙人雪車運(yùn)動員在風(fēng)洞中進(jìn)行訓(xùn)練

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