文/航奧

北京冬奧會為我們貢獻(xiàn)了無數(shù)個精彩瞬間，但你可能不知道，小到手持火炬和片片雪花，大到充滿夢幻之美的開幕式和賽場環(huán)境，都少不了航天“黑科技”助力。可以說，本屆冬奧會成為中國航天人展現(xiàn)實力的絕佳舞臺。

航天技術(shù)打造水陸環(huán)?；鹁?/h2>

2月2日，北京冬奧會火炬?zhèn)鬟f活動正式啟動，多位航天人擔(dān)任火炬手，而火炬?zhèn)鬟f過程中展現(xiàn)的航天技術(shù)同樣引人注目。

北京冬奧會手持火炬綽號“飛揚”，造型別致，如絲帶飄舞，旋轉(zhuǎn)上升，最后呈現(xiàn)為飛揚的火焰。這款手持火炬的核心關(guān)鍵技術(shù)來自航天科技集團(tuán)六院。原本用于液體火箭發(fā)動機(jī)的氫能技術(shù)“大展身手”，造就了世界上首款高壓儲氫火炬，首次實現(xiàn)冬奧會火炬零碳排放。

實現(xiàn)這一切可不容易，飄帶造型使得“飛揚”內(nèi)部可用空間有限，燃燒裝置等部件研制、布置面臨一系列挑戰(zhàn)。另外，氫氣雖然是綠色環(huán)保燃料，但也存在易爆炸、易泄漏、泄漏時因無色無味而不易被發(fā)現(xiàn)等隱患。為此，手持火炬應(yīng)用了配套的高壓儲氫方案，其內(nèi)核燃燒系統(tǒng)從底部到頂部分別是氣瓶、控氫閥和燃燒器。

航天科工集團(tuán)三院海鷹空天材料研究院承擔(dān)了高壓儲氫氣瓶的研制任務(wù)，突破了超薄壁氣瓶加熱收口成形、熱處理變形控制、大壁厚瓶口旋壓增厚及精加工、弱剛性薄壁殼體復(fù)材纏繞等關(guān)鍵技術(shù)，首次實現(xiàn)了旋壓技術(shù)在奧運產(chǎn)品上的直接應(yīng)用。

控氫閥是安裝在氣瓶口的組合閥門，包括減壓閥，主要用于將氣瓶內(nèi)的高壓氫氣減壓穩(wěn)壓。要知道，“飛揚”手持火炬內(nèi)部元件承受壓力達(dá)42兆帕，相當(dāng)于傳統(tǒng)火炬的50多倍，堪比4200米深海水壓，必須依靠減壓閥將壓力控制在近似大氣壓水平，即將壓力降低至1/420。為充分利用手持火炬內(nèi)部空間，科研人員應(yīng)用了微型輕量化技術(shù)，對控氫閥進(jìn)行“瘦身”，整合功能模塊，優(yōu)化內(nèi)部零件布局，盡可能壓縮內(nèi)部細(xì)小流道，使閥門長度縮短32%，減輕至290克，僅相當(dāng)于1袋牛奶的重量。

手持火炬能在各種環(huán)境下燃燒，離不開燃燒器發(fā)揮作用。為了實現(xiàn)火焰著色，科研人員嘗試了很多方法，甚至在家里煤氣灶上“做文章”，這才有了穩(wěn)定可視的火焰?？蒲腥藛T對整個手持火炬燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了300多次可靠性試驗，堪稱“千錘百煉”，確保“飛揚”能在10級強風(fēng)、零下40攝氏度、暴雨及5000米高海拔等惡劣環(huán)境下燃燒穩(wěn)定。

似乎是為了證明北京冬奧會火炬蘊含的“黑科技”有多強，2月2日下午，奧運史上首次開展機(jī)器人與機(jī)器人之間水下火炬?zhèn)鬟f，水陸兩棲機(jī)器人與水下變結(jié)構(gòu)機(jī)器人上演“水火交融”。

這款水下火炬是航天科工集團(tuán)三院31所特別研制的，是世界上第一支可以在水下清潔燃燒的氣態(tài)燃料火炬，能在水下實現(xiàn)火焰對接。此前，國外的水下火炬采用固體燃料，多有煙霧污染，中國航天人創(chuàng)新采用氣態(tài)燃料，火焰環(huán)保又極富美感。

水下如何燃燒？其實，燃燒的必要條件是可燃物、助燃劑和達(dá)到著火點的溫度。水滅火的本質(zhì)是把可燃物與氧氣助燃劑隔離，或讓溫度低于著火點，只要克服這兩點，水下燃燒就不成問題。

▲ 航天專家葉培建院士參與北京冬奧會火炬?zhèn)鬟f

▲ 機(jī)器人入水傳遞火炬

科研人員選擇了新型燃燒組織結(jié)構(gòu)，使燃料和氧氣預(yù)先在封閉的燃燒器內(nèi)混合成均勻氣體，形成一定濃度的可燃物混合體，又給火焰加了“防水罩”，采用氣動旋流火焰保護(hù)設(shè)計方案，使火焰不受水冷卻影響。多次水下試驗證明，水下火炬在各種傾斜角度和上升、下降、前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)等多樣運動條件下都能穩(wěn)定可靠地燃燒。

航天人助力開幕式驚艷全球

2月4日冬奧會開幕式上，北京再次驚艷世界。航天科技集團(tuán)承擔(dān)了地面舞臺（含旗桿設(shè)備）、威亞、火炬、冰立方（含五環(huán)）、指揮監(jiān)控、通信系統(tǒng)、地面顯示系統(tǒng)、冰瀑、指揮中心、央視視頻播放及VR、視頻渲染機(jī)房等11個大項目，航天科工集團(tuán)多個單位參與了數(shù)字化演練系統(tǒng)、入場人員電子票證系統(tǒng)等項目的研發(fā)工作，平穩(wěn)流暢、一氣呵成地實現(xiàn)了張藝謀導(dǎo)演的吉言：“我負(fù)責(zé)精彩，航天負(fù)責(zé)成功?！?/p>

負(fù)責(zé)主火炬的團(tuán)隊來自航天科技集團(tuán)六院北京11所和101所，他們在幕后貢獻(xiàn)了令全球觀眾贊嘆的精彩場面。6名旗手入場時，在距離鳥巢體育場地面45米的空中，主火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)開始運轉(zhuǎn)，6根管線緩緩下垂。地面中心臺的蓋子滑開，露出藏在地下的“雪花”主火炬。黑暗中，技術(shù)人員身著黑衣，把垂下的6根管線快速接插到“雪花”上。最先接通的2條線是電纜和網(wǎng)線，“雪花”的實時狀態(tài)反饋到控制室并接收指令，主火炬有了“神經(jīng)”；然后是2根氫氣管插接成功，氫燃料供應(yīng)正常，主火炬有了“大動脈”；接著，2根威亞鋼索準(zhǔn)備拉起“雪花”，凌空起舞。

震撼人心的冰立方長、寬、高分別是22米、7米、10米，重達(dá)400噸，升降重量180噸，升降載荷超過一般劇院大型升降臺的8倍，技術(shù)難度很大。為此，航天科技集團(tuán)一院15所應(yīng)用了多級折疊結(jié)構(gòu)，使升降最大速度穩(wěn)定在0.28米/秒，整個升起過程最短耗時43秒，運行誤差只有正負(fù)1毫米。

冰立方升起后，奧運五環(huán)慢慢碎冰呈現(xiàn)。因為有嚴(yán)格的重量限制，奧運五環(huán)體量很大，但厚度很薄，“天生剛度不足”，重心易偏離，造成不小的吊裝難度。為此，航天人做了多次仿真和現(xiàn)場試驗，確保奧運五環(huán)完美亮相。

這次開幕式一大新奇之處是，最后一棒的手持火炬就是主火炬。火炬手把“飛揚”插入“雪花”中心，使空中的氫氣供給系統(tǒng)與主火炬連通。為了讓火焰“更好看”，航天工程研發(fā)管理經(jīng)驗派上用場，從局部關(guān)鍵技術(shù)開始，逐步推進(jìn)到分系統(tǒng)研發(fā)，經(jīng)過必要測試環(huán)節(jié)后定型，并對關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行冗余設(shè)計。

例如，以特殊方式植入微量顯色劑配方，利用堿金屬中的原子受熱會發(fā)生能量躍遷的原理，安全、環(huán)保地實現(xiàn)氫氣火焰的可視性；采用線性多點式耦合燃?xì)夥峙浼夹g(shù)，造就火焰飛揚飄逸的美態(tài)；“雪花”采用彩色LED直顯屏，使每個發(fā)光點顏色、亮度獨立可控，出光面根據(jù)舞美造型隨型設(shè)計，鏤空減重又美觀，燈光圖案能夠多彩變化……

值得一提的是，主火炬的氫燃料存放在35兆帕儲氫罐中，壓力是大氣壓的350倍，減壓技術(shù)難度很大，在火箭發(fā)動機(jī)的應(yīng)用上也不多見。

主火炬從地面升到空中，科研人員選擇從“天上”供氣，儲氫罐通過威亞系統(tǒng)懸掛在45米高的暗處。為了平時反復(fù)演練排故，距鳥巢50公里的航天器回收著陸地面綜合試驗場布置了主火炬的等比例樣件。這里隸屬于航天科技集團(tuán)五院508所，塔架曾吊起嫦娥探測器，還曾參與過載人航天工程關(guān)鍵技術(shù)驗證，能將“雪花”吊高近30米，與鳥巢內(nèi)基本一致。

▲ 北京冬奧會主火炬

▲ 奧運五環(huán)碎冰而出

開幕式舞臺展現(xiàn)巨大地屏

開幕式上，鳥巢中央巨大的舞臺和巨幅地屏令人震撼。其中，舞臺系統(tǒng)由航天科技集團(tuán)一院15所負(fù)責(zé)，地屏由12所建設(shè)。整個地面舞臺系統(tǒng)施工面積約21000平方米，4萬多塊屏幕組成10522平方米地面顯示屏，加上舞臺中央巨大的升降臺，堪稱世界之最。其實，每塊小屏幕由AB兩塊屏幕構(gòu)成，燈珠、供電、信號等都是AB兩路，這就是航天工程中常提到的“雙冗余”。

有趣的是，舞臺兩側(cè)高聳的旗桿也由航天人設(shè)計，具備旋轉(zhuǎn)功能，可以更好地適應(yīng)鳥巢的風(fēng)向變化，讓旗子始終迎風(fēng)招展。

開幕式演出，信號傳輸量驚人，強大的播控系統(tǒng)必不可少。依托航天長征云平臺，數(shù)萬個屏幕被串接起來，溫度、濕度、電壓等工作狀態(tài)被時刻監(jiān)控，一旦出現(xiàn)異常，立即發(fā)出警報，四路信號確保有足夠的容錯率。

開幕式上，演員們跟著音樂翩翩起舞，令人陶醉。一些觀眾注意到，演員戴著類似耳機(jī)的裝置，這就是航天單位研發(fā)的無線FM廣播系統(tǒng)，類似收音機(jī)，播放節(jié)奏樂和編導(dǎo)聲音，幫助每個演員動作到位，在應(yīng)急處理時“一針見效”。

冬奧會開幕式的指揮監(jiān)控系統(tǒng)基于航天長征云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺研發(fā)，能夠向各分場導(dǎo)演、舞臺總監(jiān)、技術(shù)保障人員等提供指令信息。在某環(huán)節(jié)開始前的30秒，該系統(tǒng)就會倒計時準(zhǔn)備，告訴不同崗位人員下一步操作細(xì)則，類似火箭發(fā)射前的程序。

為更好地掌握開幕式上各類硬件設(shè)備的狀態(tài)，航天技術(shù)團(tuán)隊在鳥巢新安裝了130余個攝像頭，消除視覺死角。根據(jù)各崗位在不同活動環(huán)節(jié)的需求，視頻信息可自動按流程推送到各崗位面前。如果出現(xiàn)問題，系統(tǒng)及時通知，應(yīng)急預(yù)案將第一時間啟動。

可以說，北京冬奧會開幕式精彩絕倫，中國航天人功不可沒。

航天成果全方位保障賽事順利

北京冬奧會賽事期間，航天技術(shù)亮點體現(xiàn)在方方面面，無論是運動器械、訓(xùn)練，還是安防、氣象保障，在多個領(lǐng)域都作出巨大貢獻(xiàn)。

▲ 航天技術(shù)打造先進(jìn)國產(chǎn)雪車

▲ 航天雷達(dá)服務(wù)冬奧會氣象保障

▲ 航天技術(shù)風(fēng)洞助力冰雪項目訓(xùn)練

2016年我國才成立雪車國家隊，起步很晚。2019年10月，航天科技集團(tuán)一院703所接到制造中國第一臺雪車的任務(wù)時，甚至沒有工程師見過真正的雪車。2021年9月10日，航天技術(shù)打造的首輛國產(chǎn)雪車正式交付國家體育總局冬運中心，其突破了低風(fēng)阻高可靠的外形結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計、高抗沖復(fù)合材料、復(fù)雜翼身融合結(jié)構(gòu)一體化高質(zhì)量成型等關(guān)鍵技術(shù)，助力運動健兒拼搏爭先。

如果想找到更小的航天“黑科技”運動器械，可以看看大連理工大學(xué)研發(fā)的滑雪頭盔。其運用了航天薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，總重僅700克，在不大幅增加厚度和重量的前提下，防護(hù)性能超過歐洲標(biāo)準(zhǔn)達(dá)20%。要知道，這項技術(shù)曾為“胖五”火箭減重1噸多。

過去，冰雪運動訓(xùn)練非常依賴自然條件，運動員很難嚴(yán)格準(zhǔn)確地執(zhí)行訓(xùn)練計劃。2020年10月25日，由航天科技集團(tuán)十一院3所承建的國內(nèi)首座體育風(fēng)洞正式啟用，成為冰雪運動訓(xùn)練提升的“先行官”。該風(fēng)洞長期滿負(fù)荷運行，堪稱世界上最繁忙的風(fēng)洞之一，培養(yǎng)出多名世界冠軍。

運動員在雪地飛躍馳騁，激情四射，少不了風(fēng)雪“配合”，而北京冬奧會氣象預(yù)報要求達(dá)到“百米級、分鐘級”，難度很大。航天科工集團(tuán)二院23所成立冬奧氣象保障團(tuán)隊，研發(fā)的風(fēng)廓線雷達(dá)和測云雷達(dá)每隔5～6分鐘就向氣象部門傳輸一組實時探測信息。

其中，風(fēng)廓線雷達(dá)24小時監(jiān)測風(fēng)速、風(fēng)向，在準(zhǔn)確度、測量范圍、數(shù)據(jù)密度方面比傳統(tǒng)型號都提升了一個層次。為通過嚴(yán)寒考驗，這次大量風(fēng)傳感器進(jìn)行了改造，加熱融冰裝置解決了機(jī)械風(fēng)傳感器雪中凝凍問題。

經(jīng)過嚴(yán)苛的環(huán)境試驗后，航天人研發(fā)的軟件算法可實現(xiàn)雷達(dá)無人值守、故障自動監(jiān)測。比如，測云雷達(dá)可以用內(nèi)網(wǎng)專線的電腦或手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控，把能見度、降雪等數(shù)據(jù)實時自動發(fā)送到用戶終端處。

最終，航天人讓自動氣象站運行起來，每分鐘向所在賽區(qū)氣象服務(wù)中心發(fā)送一組氣象要素數(shù)據(jù)，包括風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、雪深等。在冬奧會網(wǎng)站上，每分鐘更新的高山滑雪氣象數(shù)據(jù)就由此而來。

冬奧會運動場地大、環(huán)境復(fù)雜，運動員動作相對危險，難免突發(fā)傷病，這要求賽會籌辦方及時開展救援行動。航天科技集團(tuán)九院13所在直-8A直升機(jī)的基礎(chǔ)上研制了新型醫(yī)療救護(hù)直升機(jī)?！翱罩嗅t(yī)院”集供氧、輸液、除顫、體征監(jiān)護(hù)等功能于一體，可同時護(hù)送2名重癥傷病員和9名輕傷病員，兼顧現(xiàn)場急救及醫(yī)療護(hù)送，途中可實現(xiàn)生命支持及緊急救治。

北京冬奧會作為國家重大活動項目，對整體安全防控需求極高。航天科工集團(tuán)二院航天長峰是張家口崇禮賽區(qū)社會面的安?？傇O(shè)計和集成任務(wù)承擔(dān)方，應(yīng)用了移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G等先進(jìn)技術(shù)手段，整合共享城區(qū)、鄉(xiāng)村和奧運核心區(qū)連線道路的日常治安防控、交通管理、任務(wù)保障、事件處置調(diào)度等多種類信息資源，必要時，為執(zhí)法機(jī)關(guān)提供“尖刀利器”。

鮮為人知的是，傳統(tǒng)安保技術(shù)手段未必可靠，比如使用紅外技術(shù)防止入侵，可能會因為有人晃動或者落葉等產(chǎn)生誤報。本屆冬奧會，航天長峰應(yīng)用了新的安保技術(shù)，持續(xù)降低了技術(shù)層面風(fēng)險，融合多種物理手段，如紅外、激光、高壓脈沖、無線震動傳感器等，做到精確檢測入侵并發(fā)送警情，建立起人力無法到達(dá)區(qū)域的安保防線，“遠(yuǎn)可探，中可管，近可打”，實現(xiàn)對低空、地面和地下三大區(qū)域的防控覆蓋。

具體來講，航天長峰安保項目團(tuán)隊基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算等新技術(shù)，將傳感器、無人機(jī)等先進(jìn)產(chǎn)品融合運用到安保指揮中，實現(xiàn)了對入侵目標(biāo)的探測、定位、分類識別、軌跡跟蹤等功能，并可通過前端探測設(shè)備與聲光電聯(lián)動機(jī)制，針對攀爬翻越、掘地入侵、低空拋物、圍欄破壞等行為發(fā)布警報信息，及時準(zhǔn)確地報告入侵異常事件。

此外，安保處置工作要實現(xiàn)全天候、全天時主動防護(hù)，航天長峰創(chuàng)新性地構(gòu)建了安保信息集成平臺，將前端視頻與二維、三維地圖融合為三維實景超級地圖，利用AR技術(shù)智能標(biāo)注刻畫，直觀顯示地理、預(yù)警、警力等各類資源數(shù)據(jù)，實現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的數(shù)字化全景監(jiān)測。

▲ “冰墩墩”和“雪容融”登陸火星，為運動健兒加油

▲ 冬奧會醫(yī)療救護(hù)直升機(jī)

中國航天事業(yè)不斷取得新進(jìn)展，重大成果不僅僅包括空間站、載人飛船、深空探測器等“高大上”產(chǎn)品，很多技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到我們的日常生活中，幫助我們學(xué)習(xí)工作更便利，娛樂享受更多彩?？梢哉f，航天“黑科技”讓北京冬奧會精彩、安全、高效又妙趣橫生，足見航天人對這項賽事何等重視，連數(shù)字航天員小諍與“冰墩墩”“雪容融”都在火星上為運動員們加油呢?。ǜ兄x趙聰、劉巖、胡藍(lán)月、鄧雨楠、任長勝等對本文的貢獻(xiàn)）