航天“黑科技”燃亮北京冬奧會

文/航奧

北京冬奧會為我們貢獻了無數(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?？梢哉f，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，多位航天人擔任火炬手，而火炬?zhèn)鬟f過程中展現(xiàn)的航天技術同樣引人注目。

北京冬奧會手持火炬綽號“飛揚”，造型別致，如絲帶飄舞，旋轉上升，最后呈現(xiàn)為飛揚的火焰。這款手持火炬的核心關鍵技術來自航天科技集團六院。原本用于液體火箭發(fā)動機的氫能技術“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，手持火炬應用了配套的高壓儲氫方案，其內核燃燒系統(tǒng)從底部到頂部分別是氣瓶、控氫閥和燃燒器。

航天科工集團三院海鷹空天材料研究院承擔了高壓儲氫氣瓶的研制任務，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、弱剛性薄壁殼體復材纏繞等關鍵技術，首次實現(xiàn)了旋壓技術在奧運產(chǎn)品上的直接應用。

控氫閥是安裝在氣瓶口的組合閥門，包括減壓閥，主要用于將氣瓶內的高壓氫氣減壓穩(wěn)壓。要知道，“飛揚”手持火炬內部元件承受壓力達42兆帕，相當于傳統(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部空間，科研人員應用了微型輕量化技術，對控氫閥進行“瘦身”，整合功能模塊，優(yōu)化內部零件布局，盡可能壓縮內部細小流道，使閥門長度縮短32%，減輕至290克，僅相當于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)進行了300多次可靠性試驗，堪稱“千錘百煉”，確?！帮w揚”能在10級強風、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器人與機器人之間水下火炬?zhèn)鬟f，水陸兩棲機器人與水下變結構機器人上演“水火交融”。

這款水下火炬是航天科工集團三院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、助燃劑和達到著火點的溫度。水滅火的本質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

▲ 機器人入水傳遞火炬

科研人員選擇了新型燃燒組織結構，使燃料和氧氣預先在封閉的燃燒器內混合成均勻氣體，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設計方案，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、后退、旋轉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。航天科技集團承擔了地面舞臺（含旗桿設備）、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、視頻渲染機房等11個大項目，航天科工集團多個單位參與了數(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)了張藝謀導演的吉言：“我負責精彩，航天負責成功?！?/p>

負責主火炬的團隊來自航天科技集團六院北京11所和101所，他們在幕后貢獻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)行機構開始運轉，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，氫燃料供應正常，主火炬有了“大動脈”；接著，2根威亞鋼索準備拉起“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，技術難度很大。為此，航天科技集團一院15所應用了多級折疊結構，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，從局部關鍵技術開始，逐步推進到分系統(tǒng)研發(fā)，經(jīng)過必要測試環(huán)節(jié)后定型，并對關鍵環(huán)節(jié)進行冗余設計。

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氣分配技術，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，減壓技術難度很大，在火箭發(fā)動機的應用上也不多見。

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鍵技術驗證，能將“雪花”吊高近30米，與鳥巢內基本一致。

▲ 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)由航天科技集團一院15所負責，地屏由12所建設。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，舞臺兩側高聳的旗桿也由航天人設計，具備旋轉功能，可以更好地適應鳥巢的風向變化，讓旗子始終迎風招展。

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，播放節(jié)奏樂和編導聲音，幫助每個演員動作到位，在應急處理時“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)，能夠向各分場導演、舞臺總監(jiān)、技術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)就會倒計時準備，告訴不同崗位人員下一步操作細則，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備的狀態(tài)，航天技術團隊在鳥巢新安裝了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，應急預案將第一時間啟動。

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，航天技術亮點體現(xiàn)在方方面面，無論是運動器械、訓練，還是安防、氣象保障，在多個領域都作出巨大貢獻。

▲ 航天技術打造先進國產(chǎn)雪車

▲ 航天雷達服務冬奧會氣象保障

▲ 航天技術風洞助力冰雪項目訓練

2016年我國才成立雪車國家隊，起步很晚。2019年10月，航天科技集團一院703所接到制造中國第一臺雪車的任務時，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，其突破了低風阻高可靠的外形結構一體化設計、高抗沖復合材料、復雜翼身融合結構一體化高質量成型等關鍵技術，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研發(fā)的滑雪頭盔。其運用了航天薄壁結構設計技術，總重僅700克，在不大幅增加厚度和重量的前提下，防護性能超過歐洲標準達20%。要知道，這項技術曾為“胖五”火箭減重1噸多。

過去，冰雪運動訓練非常依賴自然條件，運動員很難嚴格準確地執(zhí)行訓練計劃。2020年10月25日，由航天科技集團十一院3所承建的國內首座體育風洞正式啟用，成為冰雪運動訓練提升的“先行官”。該風洞長期滿負荷運行，堪稱世界上最繁忙的風洞之一，培養(yǎng)出多名世界冠軍。

運動員在雪地飛躍馳騁，激情四射，少不了風雪“配合”，而北京冬奧會氣象預報要求達到“百米級、分鐘級”，難度很大。航天科工集團二院23所成立冬奧氣象保障團隊，研發(fā)的風廓線雷達和測云雷達每隔5～6分鐘就向氣象部門傳輸一組實時探測信息。

其中，風廓線雷達24小時監(jiān)測風速、風向，在準確度、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。為通過嚴寒考驗，這次大量風傳感器進行了改造，加熱融冰裝置解決了機械風傳感器雪中凝凍問題。

經(jīng)過嚴苛的環(huán)境試驗后，航天人研發(fā)的軟件算法可實現(xiàn)雷達無人值守、故障自動監(jiān)測。比如，測云雷達可以用內網(wǎng)專線的電腦或手機遠程監(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)氣象服務中心發(fā)送一組氣象要素數(shù)據(jù)，包括風向、風速、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。航天科技集團九院13所在直-8A直升機的基礎上研制了新型醫(yī)療救護直升機?！翱罩嗅t(yī)院”集供氧、輸液、除顫、體征監(jiān)護等功能于一體，可同時護送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。航天科工集團二院航天長峰是張家口崇禮賽區(qū)社會面的安?？傇O計和集成任務承擔方，應用了移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G等先進技術手段，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、任務保障、事件處置調度等多種類信息資源，必要時，為執(zhí)法機關提供“尖刀利器”。

鮮為人知的是，傳統(tǒng)安保技術手段未必可靠，比如使用紅外技術防止入侵，可能會因為有人晃動或者落葉等產(chǎn)生誤報。本屆冬奧會，航天長峰應用了新的安保技術，持續(xù)降低了技術層面風險，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區(qū)域的安保防線，“遠可探，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隊基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算等新技術，將傳感器、無人機等先進產(chǎn)品融合運用到安保指揮中，實現(xiàn)了對入侵目標的探測、定位、分類識別、軌跡跟蹤等功能，并可通過前端探測設備與聲光電聯(lián)動機制，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，航天長峰創(chuàng)新性地構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技術智能標注刻畫，直觀顯示地理、預警、警力等各類資源數(shù)據(jù)，實現(xiàn)目標區(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)療救護直升機

中國航天事業(yè)不斷取得新進展，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，很多技術已經(jīng)應用到我們的日常生活中，幫助我們學習工作更便利，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、胡藍月、鄧雨楠、任長勝等對本文的貢獻）