奧運(yùn)金牌背后的航天技術(shù)

吳楠　葛宏升　付毅飛

在7月29日上午舉行的東京奧運(yùn)會(huì)游泳女子200米蝶泳決賽中，中國(guó)選手張雨霏以2分03秒86的成績(jī)獲得冠軍并打破奧運(yùn)紀(jì)錄。80分鐘后，張雨霏與隊(duì)友楊?，u、湯慕涵、李冰潔一起，以7分40秒33的成績(jī)打破世界紀(jì)錄，奪得女子4×200米自由泳接力冠軍，這也是中國(guó)游泳隊(duì)首枚接力項(xiàng)目奧運(yùn)金牌。

在為奧運(yùn)健兒們踩著紀(jì)錄奪冠而歡呼時(shí)，人們可能很難想到，這來之不易的游泳金牌，背后還有航天技術(shù)的支撐。

筆者從中國(guó)航天科技集團(tuán)九院了解到，早在2019年12月，國(guó)家體育總局便向該院發(fā)出項(xiàng)目需求，希望利用先進(jìn)航天技術(shù)，研發(fā)出精密測(cè)量產(chǎn)品，幫助游泳運(yùn)動(dòng)員加強(qiáng)訓(xùn)練的科學(xué)性，提高競(jìng)賽成績(jī)。

隨著體育運(yùn)動(dòng)的科技化程度不斷提高，采用高科技手段進(jìn)行參數(shù)分析、指導(dǎo)訓(xùn)練，已經(jīng)被全世界的高水平運(yùn)動(dòng)員廣泛采用。尤其在高手對(duì)決中，一些微小動(dòng)作往往是決定成敗的關(guān)鍵。具體到游泳這個(gè)特定項(xiàng)目，傳統(tǒng)的影像記錄等手段不能定量獲取運(yùn)動(dòng)員全部運(yùn)動(dòng)信息，尤其是無法對(duì)關(guān)節(jié)間轉(zhuǎn)動(dòng)這樣微小的變化進(jìn)行有效辨識(shí)。但航天慣性技術(shù)則有助于解決這個(gè)難題。

九院13所時(shí)代光電公司是我國(guó)重要的慣性技術(shù)及產(chǎn)品研發(fā)基地，一直為我國(guó)各型號(hào)火箭和航天飛行器提供高品質(zhì)光纖慣組及光纖速率陀螺。國(guó)家體育總局帶著項(xiàng)目需求找到這里，該公司立即成立項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，開始具體產(chǎn)品的研發(fā)。

經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)和不斷改進(jìn)，該公司研制的運(yùn)動(dòng)測(cè)量產(chǎn)品順利成型。該產(chǎn)品單臺(tái)重量?jī)H16克，包括慣導(dǎo)分系統(tǒng)、定位與測(cè)速分系統(tǒng)、視頻采集分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)綜合分析系統(tǒng)4部分，能分別實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)測(cè)量、位置與速度測(cè)量、運(yùn)動(dòng)視頻拍攝以及數(shù)據(jù)集成解算和三維模型驅(qū)動(dòng)功能。

其中，慣導(dǎo)分系統(tǒng)作為核心組成部分，主要測(cè)量運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)信息并輸出三維姿態(tài)參數(shù)，得到運(yùn)動(dòng)員每一秒的姿態(tài)、呼吸情況，以及在泳池里每一次往返的劃頻、劃幅、劃次、轉(zhuǎn)身時(shí)間等多項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)動(dòng)作的精細(xì)量化評(píng)估。

今年上半年，在國(guó)家游泳隊(duì)備戰(zhàn)東京奧運(yùn)會(huì)期間，時(shí)代光電公司運(yùn)動(dòng)測(cè)量團(tuán)隊(duì)攜帶自研運(yùn)動(dòng)測(cè)量產(chǎn)品，配合國(guó)家游泳隊(duì)開展了優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員風(fēng)洞試驗(yàn)。張雨霏、楊?，u、徐嘉余、劉湘、閆子貝、余依婷6名世界冠軍參與試驗(yàn)。

試驗(yàn)?zāi)M游泳過程中所受流場(chǎng)，開展典型游泳速度下不同技術(shù)動(dòng)作姿態(tài)和阻力的測(cè)試。在試驗(yàn)人員和運(yùn)動(dòng)員的密切配合下，分別完成了6位運(yùn)動(dòng)員站立姿態(tài)下不同送胯角度測(cè)試和游泳姿態(tài)下不同技術(shù)動(dòng)作測(cè)試。運(yùn)動(dòng)測(cè)量產(chǎn)品全程工作正常，順利收集到全部數(shù)據(jù)，探明典型游泳速度下，運(yùn)動(dòng)員不同姿態(tài)所受阻力的規(guī)律，為教練團(tuán)隊(duì)確定訓(xùn)練方案、改善運(yùn)動(dòng)員身體流線型、優(yōu)化技術(shù)動(dòng)作提供了科學(xué)依據(jù)，獲得國(guó)家體育總局和國(guó)家游泳隊(duì)的一致好評(píng)。

實(shí)際上，幫助中國(guó)奧運(yùn)代表團(tuán)奪冠的航天技術(shù)不止一項(xiàng)，除了捕獲精細(xì)動(dòng)作的慣性技術(shù)，還有“既可吹風(fēng)、亦可賽艇”的風(fēng)洞。

據(jù)了解，航天科技集團(tuán)十一院充分利用在航天領(lǐng)域多年積累的設(shè)計(jì)與風(fēng)洞測(cè)試專業(yè)知識(shí)和科研成果，積極應(yīng)用于奧運(yùn)重點(diǎn)項(xiàng)目科技攻關(guān)，有針對(duì)性地自主開發(fā)出多套國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的高精度測(cè)試平臺(tái)，解決各類奧運(yùn)裝備不同測(cè)試需求的難題，將航天空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)應(yīng)用于多個(gè)奧運(yùn)比賽項(xiàng)目。

自2019年起，針對(duì)四人賽艇風(fēng)洞試驗(yàn)項(xiàng)目的要求，十一院低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室成功開發(fā)了一套基于氣浮裝置的三維力測(cè)量平臺(tái)，整套測(cè)試系統(tǒng)氣動(dòng)力測(cè)量分辨率達(dá)到0.04牛，靜態(tài)校準(zhǔn)非線性0.08%，完全滿足高精度小載荷風(fēng)洞測(cè)試項(xiàng)目的要求。

通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了運(yùn)動(dòng)員抓水、驅(qū)動(dòng)、出水、回槳等不同動(dòng)作姿態(tài)的氣動(dòng)力大小，4名運(yùn)動(dòng)員不同編隊(duì)組合對(duì)氣動(dòng)阻力的影響，為運(yùn)動(dòng)員的比賽提供科學(xué)的參考。

在7月28日舉行的東京奧運(yùn)會(huì)賽艇女子四人雙槳決賽中，由陳云霞、張靈、呂揚(yáng)、崔曉桐組成的中國(guó)隊(duì)獲得冠軍，為中國(guó)代表團(tuán)奪得本屆奧運(yùn)會(huì)第10枚金牌。

筆者從十一院獲悉，該院承建的國(guó)內(nèi)首座體育綜合訓(xùn)練風(fēng)洞，已于2020年10月25日正式啟用，將助力我國(guó)冰雪健將在2022年冬奧會(huì)中斬獲佳績(jī)。