北京冬奧會(huì)人造雪里的科技范兒

2022年北京冬奧會(huì)正在如火如荼地進(jìn)行中，在冬奧會(huì)的七大項(xiàng)目中，滑雪項(xiàng)目將產(chǎn)生55枚金牌，占北京冬奧會(huì)總金牌數(shù)的一半。運(yùn)動(dòng)員們從白雪皚皚的雪道滑下，或蜿蜒穿行，或起跳旋轉(zhuǎn)在空中完成各種高難度動(dòng)作，這樣的場(chǎng)景讓觀眾們看得熱血沸騰。

雪上項(xiàng)目對(duì)氣候和場(chǎng)地的要求十分嚴(yán)格，為了保證雪上項(xiàng)目的順利進(jìn)行，本屆冬奧會(huì)80%～90%的比賽場(chǎng)地用雪都采用人造雪，通過(guò)我們的“自力更生”實(shí)現(xiàn)了冬奧會(huì)的用雪自由。

“其實(shí)，目前全世界大多數(shù)滑雪場(chǎng)，都采用天然雪和人造雪相結(jié)合的方式?！北本├砉ご髮W(xué)副教授張海洋在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)介紹。

據(jù)了解，在溫哥華、索契以及平昌等地舉行的冬奧會(huì)都大量采用了人造雪。特別是在2018年平昌冬奧會(huì)中，人造雪用量占到了總使用雪量的90%。

為什么冬奧比賽會(huì)用到如此之多的人造雪呢？

張海洋指出，自然條件下產(chǎn)生的新降雪、融化后重新凝結(jié)的雪、長(zhǎng)期堆積的雪等物理特性各不相同，而這會(huì)影響其性狀。國(guó)際滑雪聯(lián)合會(huì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)際雪聯(lián)）對(duì)不同項(xiàng)目的競(jìng)賽雪道都設(shè)定了相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，以保證比賽的公平性和安全性，雪的性狀穩(wěn)定對(duì)雪道而言十分重要。

相比物理特性更為多變的天然雪，人工造雪可控性更高。人造雪經(jīng)過(guò)擠壓、平整、注水后，更容易被制成可供比賽的雪道。

張海洋舉例說(shuō)，比如崇禮萬(wàn)龍滑雪場(chǎng)的U型槽場(chǎng)地，根據(jù)冬奧會(huì)比賽要求，其雪槽的長(zhǎng)度要達(dá)到150至170米，寬度要達(dá)到19至22米，深度則要到6.7米、坡度要達(dá)到17至18度。要想塑造出這樣一個(gè)場(chǎng)地，不僅需要大量的雪，而且為了精準(zhǔn)的坡度，還要控制好雪的濕度?！皥?chǎng)地工作人員會(huì)檢測(cè)雪的含水量，只有將含水量控制在合適的范圍內(nèi)，才可保證在一定的溫度下，U型槽場(chǎng)地能一直保持這個(gè)形狀、不產(chǎn)生形變。”張海洋說(shuō)。

此外，冬奧會(huì)在短時(shí)間內(nèi)的耗雪量較大，光靠老天爺“賞飯吃”顯然不靠譜。

在1980年舉行的美國(guó)普萊西德湖冬奧會(huì)上，人造雪第一次出現(xiàn)在了冬奧會(huì)場(chǎng)地，就是因?yàn)檫@年冬季，普萊西德湖雪量少的緣故。

國(guó)際雪聯(lián)文件《2022年冬奧會(huì)自由式滑雪和單板滑雪場(chǎng)地設(shè)計(jì)要求》指出，滑雪障礙追逐賽道需保證約71500立方米的雪量，當(dāng)這一數(shù)字加上融化系數(shù)后，將達(dá)到107200立方米。即使是面積較小的大跳臺(tái)賽道，也需維持至少11000立方米雪量。

張海洋說(shuō)，這么大的用雪量，單靠運(yùn)輸，成本實(shí)在太高。若靠自然下雪，需要連續(xù)不間斷地下幾十天的大雪。而且滑雪場(chǎng)地每天都需要塑型維護(hù)，也需要大量的儲(chǔ)備雪，因此一定要人造雪來(lái)幫忙。

“造這么多的人造雪需要大量時(shí)間，因此本屆冬奧會(huì)為了保障賽事用雪，很多冬奧滑雪場(chǎng)從2021年11月底就開(kāi)始進(jìn)行人工造雪，造雪時(shí)間持續(xù)到2022年1月?！睆埡Ｑ笳f(shuō)，人工造雪的重要工具就是造雪機(jī)，它可以模仿天然降雪的過(guò)程，將水變成雪，但和天然成雪過(guò)程有所區(qū)別。

張海洋介紹，天然狀態(tài)下，天上的水汽變成雪必須具備兩個(gè)條件：一是要有一定的水汽飽和度（即0攝氏度以下的冷云），二是必須有凝結(jié)核。當(dāng)冷云中的小水滴遇到空氣中的塵埃顆粒，此時(shí)便會(huì)形成冰晶;冰晶逐漸增大，當(dāng)其重量達(dá)到一定程度就能克服空氣的浮力，從天空中飄落下來(lái)，變成雪花。

人工造雪則是通過(guò)造雪機(jī)把5攝氏度以下的水霧打散成小粒子，再將這些粒子迅速冷凝結(jié)晶，然后再由風(fēng)筒把雪花噴射出去，以擴(kuò)大造雪面積。

“水是人工造雪必不可少的原料。”張海洋說(shuō)，原則上來(lái)說(shuō)，井水、河水、純凈水、再生水、雨水、融雪水都可以作為人造雪用水，但這些水在變?yōu)樵煅┰锨?，必須調(diào)整好“體溫”，即要把溫度控制在0至5攝氏度之間，水溫太高無(wú)法造雪、水溫太低不易造雪。同時(shí)，水也不能太臟，雖然造雪機(jī)有過(guò)濾裝置，但如果水太臟，不僅會(huì)堵塞濾網(wǎng)，還可能會(huì)堵塞噴嘴。

本屆冬奧會(huì)的每個(gè)滑雪場(chǎng)，都設(shè)有固定式造雪機(jī)和移動(dòng)式造雪機(jī)。固定造雪機(jī)只需一條抽水管，就可以進(jìn)行大規(guī)模造雪?！暗珜?duì)于塑型要求比較高、需要補(bǔ)雪的比賽場(chǎng)地，就要‘派出’移動(dòng)式造雪機(jī)了?！睆埡Ｑ蟊硎尽?/p>

“各個(gè)雪上項(xiàng)目對(duì)雪質(zhì)的要求有所不同，哪怕是同一塊場(chǎng)地的不同地段，對(duì)雪質(zhì)的要求也不盡相同?！睆埡Ｑ笈e例說(shuō)，比如高山滑雪比賽項(xiàng)目，由于其是競(jìng)速類(lèi)項(xiàng)目，它的賽道需要進(jìn)行單獨(dú)壓制，鋪設(shè)在賽道上的雪密度非常大，這種雪被稱(chēng)為“冰狀雪”?！氨鶢钛钡拿芏仁翘烊谎┑?到13倍，其表面有一層薄的硬冰殼，是雪又似冰。

“這類(lèi)雪含水量較高、密度大，其表層相當(dāng)于結(jié)了一層冰，這樣可減少賽道和滑雪板之間的摩擦力，提升運(yùn)動(dòng)員比賽的舒適度，有利于提高運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)?！睆埡Ｑ笳f(shuō)，而到了減速區(qū)和結(jié)束區(qū)，為了保護(hù)運(yùn)動(dòng)員不受傷，就需要減速。因此這一區(qū)域的雪就需要減少含水量，以保持雪的蓬松狀態(tài)，從而增加賽道與滑雪板之間的摩擦力。

從離地超百米的高臺(tái)滑下，俯沖、加速，自跳臺(tái)末端躍向空中，呈“V”字形劃出優(yōu)美的拋物線……在本屆冬奧會(huì)的賽場(chǎng)上，極具觀賞性的跳臺(tái)滑雪項(xiàng)目在張家口賽區(qū)國(guó)家跳臺(tái)滑雪中心精彩上演?！氨荣惡每?，但給供跳臺(tái)滑雪比賽用的坡道造雪，可是件不容易的事?！睆埡Ｑ笳f(shuō)，鋪設(shè)在坡道上的人造雪，從下到上依次是基層、中層、表層，每層雪的密度都不一樣。基層的雪質(zhì)濕度要大，這樣可以讓雪層與坡道牢固地“凍”在一起?？紤]到運(yùn)動(dòng)員要在高空做一些動(dòng)作，落地時(shí)雪道不能太硬，因此表層雪的濕度要低，這樣平壓后仍可以保證一定的疏松度，最大程度確保運(yùn)動(dòng)員的滑行安全。

在本屆冬奧會(huì)，當(dāng)一天比賽結(jié)束后，夜間工作人員都要對(duì)滑雪道進(jìn)行維護(hù)?！耙?yàn)槊繄?chǎng)比賽后，雪道的硬度就會(huì)降低，同時(shí)雪道表面會(huì)變得溝溝坎坎，這些都會(huì)影響第二天的比賽?！睆埡Ｑ蠼榻B，對(duì)雪道的維護(hù)一方面要補(bǔ)充雪，另一方面是用壓雪車(chē)壓雪，以達(dá)到比賽雪道的硬度標(biāo)準(zhǔn)。

1950年3月，美國(guó)人韋恩·皮爾斯就利用一個(gè)油漆噴霧壓縮機(jī)、噴嘴和一些用來(lái)給花木澆水的軟管造出了世界上第一臺(tái)造雪機(jī)。

其后，人造雪技術(shù)不斷發(fā)展，這讓冬奧會(huì)大規(guī)模使用人造雪成為可能。然而，由于我國(guó)在人造雪方面的研究起步較晚，國(guó)內(nèi)賽道雪務(wù)技術(shù)幾乎空白，同時(shí)國(guó)外在這方面對(duì)中國(guó)進(jìn)行技術(shù)封鎖，使得中國(guó)無(wú)法拿到賽道用雪的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在2016年以前，中國(guó)甚至造不出一條合格的“冰狀雪”賽道。

為了給全世界運(yùn)動(dòng)員提供良好的賽事體驗(yàn)，我國(guó)科學(xué)家開(kāi)展了集中攻堅(jiān)行動(dòng)。2017年，在中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室名譽(yù)主任秦大河的帶領(lǐng)下，北京冬奧會(huì)賽事用雪保障關(guān)鍵技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)正式組建，誓要制造出中國(guó)人自己的“冰狀雪”。

經(jīng)過(guò)大量觀測(cè)和試驗(yàn)，該團(tuán)隊(duì)獲得了北京延慶、張家口賽區(qū)制造“冰狀雪”的屬地參數(shù)，從機(jī)理上搞清了優(yōu)質(zhì)雪道的雪質(zhì)要求，成功制造出適應(yīng)大陸性季風(fēng)氣候特點(diǎn)的合格“冰狀雪”。

最終，不同氣候條件的“冰狀雪”賽道制作技術(shù)被攻克，中國(guó)人靠自己打造出了“冰狀雪”賽道。此外，中國(guó)從造雪到除雪的技術(shù)全部達(dá)到國(guó)際賽事標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了用雪自由;冰雪硬度測(cè)量?jī)x和冰雪粒徑測(cè)量?jī)x等“冰狀雪”賽道專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)設(shè)備也實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，大幅壓縮了辦賽成本。

工欲善其事必先利其器。壓雪車(chē)是比賽雪道建設(shè)與維護(hù)必備的大型裝備，隨著我國(guó)自主研發(fā)生產(chǎn)的首臺(tái)大型壓雪車(chē)——SG400壓雪車(chē)下線，我國(guó)在大功率高端壓雪車(chē)產(chǎn)品領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從0到1的突破。

為了應(yīng)對(duì)極寒天氣，SG400壓雪車(chē)設(shè)計(jì)的工作環(huán)境為零下40攝氏度，設(shè)計(jì)中使用了大量耐低溫材料，改良后的雪犁，其齒形更容易打碎板結(jié)雪層，符合我國(guó)雪場(chǎng)的實(shí)際使用需要。

同時(shí)，在滿足主結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的前提下，研發(fā)人員對(duì)該壓雪車(chē)的車(chē)架及核心部件進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，車(chē)架重量?jī)H相當(dāng)于一般工程車(chē)輛車(chē)架重量的1/3到1/5，使其特別適合在雪道極端松軟的工作條件下運(yùn)行。配合絞盤(pán)系統(tǒng)，該壓雪車(chē)可攀爬坡度為45度的高山雪場(chǎng)。

此外，該壓雪車(chē)的智能化控制系統(tǒng)可讓全車(chē)多個(gè)控制器有條不紊地處理來(lái)自傳感器、動(dòng)作控制手柄、電子踏板的反饋信號(hào)，使其擁有了靈敏的“神經(jīng)系統(tǒng)”。