难度超过“空间站对接”，北京冬奥会的这个细节很有看点

作者：中国经济周刊

本文转载自：中国经济周刊（ID:ChinaEconomicWeekly）

《中国经济周刊》记者贾璇

2月4日晚，2022年北京冬奥会开幕。远在3.2亿千米外的“天问一号”火星探测器回传了和本届冬奥会、冬残奥会吉祥物“冰墩墩”“雪容融”的自拍照，送上“宇宙级”冬奥祝福，网友更是惊叹于“原来我们在火星也有啦啦队”。

北京是首个夏冬双奥之城，天问一号是中国首个行星际探索任务，两者的“梦幻联动”既是绿色奥运、科技奥运、人文奥运核心理念的中国表达，更是中华民族对更高、更快、更强、更团结的倡导和追求。

工作人员在火星着陆器上安装吉祥物

放眼赛场内外，一系列来自中国航天自主研发的科技技术及产品，正在赋能北京冬奥，为其持续贡献力量和动力，更为奥林匹克的发展提供中国方案。

奥运史上首次机器人水下火炬传递，

难度甚至超过“空间站对接”

如果有一种科技力量可以打破“水火不容”，它就是中国航天。

2月2日，两个机器人在北京冬奥公园的湖水之下，完成了火炬交接传火，成为奥运史上首次实现机器人与机器人在水下进行的火炬传递仪式。该特种火炬也成为“世界上首支无烟燃烧的绿色清洁水空跨介质火炬”。目前该火炬已经申报了多项发明专利，我国具有自主知识产权。

机器人“火炬手”入水进行水下传火

机器人同火炬在冰面开展协同测试

户外测试现场图

据特种火炬团队技术负责人、航天科工三院31所二室党支部书记张波向《中国经济周刊》介绍：“目前国外的水下火炬采用固体燃料，燃烧存在非常明显的烟雾污染。我们创新采用气态燃料，不仅消除了固体燃料燃烧的烟雾污染，还可以让火焰更具动态、飘逸的美感。”

但气态燃料实现水下燃烧和传火，其难度比固体燃料要大很多。据张波介绍，为了让气体燃料在水下稳定燃烧，同时克服水压和水流扰动的影响，设计人员借鉴了航天发动机的设计理念。

“我们采用了新型燃烧组织结构和气动旋流火焰保护等一系列技术。其中，燃烧器采用燃料和氧化剂的多层喷注设计；火焰的中心通过预混燃烧的方式来提高火焰温度；火焰周围采用类似航空发动机气膜式热防护的方法，形成动态的‘保护罩’；用这些技术创新克服绿色能源在水下燃烧困难的技术难题。”张波说。

机器人水下传递火炬

让两个机器人实现在“水下传火”遇到的技术挑战更大。

张波说，水下传火时，周围的水环境会给燃料带来强冷却作用，所以燃料在水下点燃时必须保证有稳定的热源，这对火炬对接的精准度和稳定性要求极高。此外，由于对接是在水中复杂扰动环境下进行，通过精准悬停和控制来实现火炬燃烧器头部的精准对接，从某种意义上讲，其难度甚至超过“空间站对接”。

为了实现水下点火的高可靠性，研发团队对气态燃料开展了不同状态的水下传火特性研究，最终确定了传火时间短、对接空间适应性相对较强的水下传火技术模式。

“从技术原理上看，水下火炬就是一个小型的气体火箭发动机，在实现水下燃烧的同时还通过一系列控制机构和程序，实现与机器人的集成和自动控制，甚至还拥有在真空中燃烧的能力。”张波说，为了保证火焰在冬季严寒条件下的长时间工作，以及在空气中和水下的美观，水下火炬还自带“大气火焰和水下火焰双模态燃烧机制”、“燃料热管理技术”等关键技术，最终圆满实现机器人水下传递。

2021年12月16日，该环节在向冬奥组委进行试验演示后，获得“震撼、感人”的高度评价。

联合演练测试团队在试验外场

浪漫的双向奔赴——中国航天梦幻呈现开幕式

“我负责精彩，航天负责成功”,2022北京冬奥会开幕式总导演张艺谋曾多次对航天团队说。

2022年2月4日晚，举世瞩目的北京第二十四届冬季奥林匹克运动会开幕式在国家体育场隆重举行。中华文明与奥林匹克运动再度携手，奏响全人类团结、和平、友谊的华美乐章。

和2008年北京奥运会开幕式一样，这场绽放着“中国式浪漫”的开幕式引发了各国媒体的高度关注。外媒认为，开幕式低调简约、寓意深刻，令人回味无穷。回顾这场精彩演出，不难发现其背后的航天力量。

2019年，具有组织实施重大宇航发射任务经验的中国航天科技集团正式作为2022北京冬奥会和冬残奥会开闭幕式技术保障实施单位，开启了长达三年的冬奥备战。

中国航天科技集团党组成员、副总经理张忠阳说：“冬奥会的开幕式是导演、演员、舞台装置、电视转播的一次大协同，一旦启动，就无法暂停，这与航天发射任务相似。”

据悉，此次航天科技集团共承担了11个大项目，分别为地面舞台（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。

冰雪五环“破冰而出”

“藏”在地仓里的冰雪五环

冰雪五环是此次开幕式的一大亮点，晶莹的冰雪五环“破冰而出”成为本届冬奥会开幕式的经典瞬间。这个“冰立方”可谓是整个开闭幕式里最大功率的驱动设备。它的长宽高分别为22米、7米和10米，重量达400吨，升降重量达180吨，升降载荷超过一般剧院大型升降台的8倍。

按照设计，冰立方升起来之前要“藏”在一个巨大的地仓里，地仓长度是84米，宽42米，深度是10米。为此，设计师采用了多级的折叠结构，使其升降最大速度达到每秒0.28米，完成整个升起过程最短耗时仅43秒，运行误差只有正负1毫米。

主火炬“飞扬”被点燃

主火炬“飞扬”亮相一直是观众期待的场景之一，其燃烧系统是主火炬的核心组成部分。此次开幕式，手持火炬及主火炬均采用绿色环保、燃烧性好的氢气作为燃料，实现了冬奥会历史上火炬的零碳排放。

此外，针对火焰颜色可视化需求，设计团队在氢气火焰区中以特殊方式植入微量显色剂配方。采用线性多点式耦合燃气分配技术，实现了火焰“飞扬”飘逸的造型。

据介绍，经过航天人自主创新的“飞扬”火炬，可在10级强风、零下40℃低温、暴雨、以及5000米高海拔等环境下，保持稳定的燃烧状态。

舞台两侧的旗杆设计工作也由航天人完成。相较于2008年北京夏季奥运会的旗杆，此次冬奥会的旗杆增加了旋转功能，可以更好地适应场馆的风向变化。

对此，张艺谋评价称：“技术装置运行一气呵成，平稳流畅，超出了导演团队的预期与想象。网友们纷纷留言：“你可以永远相信中国航天”“这是浪漫的双向奔赴”。

中国队首金的神助攻——中国航天的“驭风术”

2月5日晚，中国短道速滑混合团体以2分37秒348的成绩，摘得北京冬奥会中国队的首枚金牌。在短道速滑等项目的训练中，一项航天技术成为运动员的“神助攻”。

这项技术就是在导弹、火箭和飞机设计中使用的“风洞”。该技术可以让运动员实时了解每个姿态下的精确阻力值，通过不断训练形成肌肉记忆，找到最佳运动姿态，甚至被网友形象地称为“驭风术”。

试验场景

通过风洞实验室空气动力学测试，以减少空气阻力为目标，可以对运动员保持何种姿态，以及运动员的服装面料、头盔、雪车等运动器材如何设计进行优化组合，获取最佳运动表现。

2020年10月，中国首座体育综合训练风洞正式启用。风洞口径宽2.5米，高3米，测试段长度8米，设计风速151.2公里/小时，最大风速可达每秒42米，相当于14级强台风，基本上涵盖了所有冰雪运动所涉及的风速范围。

据参与风洞设计的航天科技集团十一院三所工程师郑刘介绍，开展测试时，运动员们会站在特制的六分量传感器上，风洞会制造出该运动员运动时产生的风，通过六分量传感器测出不同动作姿态下阻力的变化，以寻找和锁定风阻最小的动作和姿势，以提高速度。

相关技术专业人员提供的数据显示，如果空气阻力能够减少10%，运动员的成绩便能提高1%，而1%甚至1‰秒的差距都可能是决定胜负的关键。

航天科技集团十一院三所军民融合处研究员、体育综合训练风洞专家团队成员李玉秋说，许多冰雪运动强国已经广泛采用了风洞进行针对性训练。我国在这方面的应用起步虽然较晚，但得益于我国航天技术的高速发展，目前我国的体育风洞技术已经完全赶超西方国家。

（文中图片均由航天科工三院31所、中国航天科技集团提供）

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难度超过“空间站对接”，北京冬奥会的这个细节很有看点

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