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    北京冬奧會 這樣實現(xiàn)用雪自由

    2022-02-10 15:08:07 來源:科技日報

    80%—90%

    雪上項目對氣候和場地的要求十分嚴格,為了保證雪上項目的順利進行,本屆冬奧會80%—90%的比賽場地用雪都采用人造雪,通過我們的“自力更生”實現(xiàn)了冬奧會的用雪自由。

    2022年北京冬奧會正在如火如荼地進行中,在冬奧會的七大項目中,滑雪項目將產生55枚金牌,占北京冬奧會總金牌數(shù)的一半。運動員們從白雪皚皚的雪道滑下,或蜿蜒穿行,或起跳旋轉在空中完成各種高難度動作,這樣的場景讓觀眾們看得熱血沸騰。

    雪上項目對氣候和場地的要求十分嚴格,為了保證雪上項目的順利進行,本屆冬奧會80%—90%的比賽場地用雪都采用人造雪,通過我們的“自力更生”實現(xiàn)了冬奧會的用雪自由。

    冬奧比賽用雪不“靠天吃飯”

    “其實,目前全世界大多數(shù)滑雪場,都采用天然雪和人造雪相結合的方式。”北京理工大學副教授張海洋在接受科技日報記者采訪時介紹。

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

    為什么冬奧比賽會用到如此之多的人造雪呢?

    張海洋指出,自然條件下產生的新降雪、融化后重新凝結的雪、長期堆積的雪等物理特性各不相同,而這會影響其性狀。國際滑雪聯(lián)合會(以下簡稱國際雪聯(lián))對不同項目的競賽雪道都設定了相應的技術指標,以保證比賽的公平性和安全性,雪的性狀穩(wěn)定對雪道而言十分重要。

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

    張海洋舉例說,比如崇禮萬龍滑雪場的U型槽場地,根據(jù)冬奧會比賽要求,其雪槽的長度要達到150至170米,寬度要達到19至22米,深度則要到6.7米、坡度要達到17至18度。要想塑造出這樣一個場地,不僅需要大量的雪,而且為了精準的坡度,還要控制好雪的濕度。“場地工作人員會檢測雪的含水量,只有將含水量控制在合適的范圍內,才可保證在一定的溫度下,U型槽場地能一直保持這個形狀、不產生形變。”張海洋說。

    此外,冬奧會在短時間內的耗雪量較大,光靠老天爺“賞飯吃”顯然不靠譜。

    在1980年舉行的美國普萊西德湖冬奧會上,人造雪第一次出現(xiàn)在了冬奧會場地,就是因為這年冬季,普萊西德湖雪量少的緣故。

    國際雪聯(lián)文件《2022年冬奧會自由式滑雪和單板滑雪場地設計要求》指出,滑雪障礙追逐賽道需保證約71500立方米的雪量,當這一數(shù)字加上融化系數(shù)后,將達到107200立方米。即使是面積較小的大跳臺賽道,也需維持至少11000立方米雪量。

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

    人造雪用料有兩大要求

    “造這么多的人造雪需要大量時間,因此本屆冬奧會為了保障賽事用雪,很多冬奧滑雪場從2021年11月底就開始進行人工造雪,造雪時間持續(xù)到2022年1月。”張海洋說,人工造雪的重要工具就是造雪機,它可以模仿天然降雪的過程,將水變成雪,但和天然成雪過程有所區(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),二是必須有凝結核。當冷云中的小水滴遇到空氣中的塵埃顆粒,此時便會形成冰晶;冰晶逐漸增大,當其重量達到一定程度就能克服空氣的浮力,從天空中飄落下來,變成雪花。

    人工造雪則是通過造雪機把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晶,然后再由風筒把雪花噴射出去,以擴大造雪面積。

    “水是人工造雪必不可少的原料。”張海洋說,原則上來說,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┰锨埃仨氄{整好“體溫”,即要把溫度控制在0至5攝氏度之間,水溫太高無法造雪、水溫太低不易造雪。同時,水也不能太臟,雖然造雪機有過濾裝置,但如果水太臟,不僅會堵塞濾網,還可能會堵塞噴嘴。

    本屆冬奧會的每個滑雪場,都設有固定式造雪機和移動式造雪機。固定造雪機只需一條抽水管,就可以進行大規(guī)模造雪。“但對于塑型要求比較高、需要補雪的比賽場地,就要‘派出’移動式造雪機了。”張海洋表示。

    不同比賽用雪都有“私人定制”

    “各個雪上項目對雪質的要求有所不同,哪怕是同一塊場地的不同地段,對雪質的要求也不盡相同。”張海洋舉例說,比如高山滑雪比賽項目,由于其是競速類項目,它的賽道需要進行單獨壓制,鋪設在賽道上的雪密度非常大,這種雪被稱為“冰狀雪”。“冰狀雪”的密度是天然雪的5到13倍,其表面有一層薄的硬冰殼,是雪又似冰。

    “這類雪含水量較高、密度大,其表層相當于結了一層冰,這樣可減少賽道和滑雪板之間的摩擦力,提升運動員比賽的舒適度,有利于提高運動員的成績。”張海洋說,而到了減速區(qū)和結束區(qū),為了保護運動員不受傷,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滑下,俯沖、加速,自跳臺末端躍向空中,呈“V”字形劃出優(yōu)美的拋物線……在本屆冬奧會的賽場上,極具觀賞性的跳臺滑雪項目在張家口賽區(qū)國家跳臺滑雪中心精彩上演。“比賽好看,但給供跳臺滑雪比賽用的坡道造雪,可是件不容易的事。”張海洋說,鋪設在坡道上的人造雪,從下到上依次是基層、中層、表層,每層雪的密度都不一樣。基層的雪質濕度要大,這樣可以讓雪層與坡道牢固地“凍”在一起。考慮到運動員要在高空做一些動作,落地時雪道不能太硬,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,最大程度確保運動員的滑行安全。

    在本屆冬奧會,當一天比賽結束后,夜間工作人員都要對滑雪道進行維護。“因為每場比賽后,雪道的硬度就會降低,同時雪道表面會變得溝溝坎坎,這些都會影響第二天的比賽。”張海洋介紹,對雪道的維護一方面要補充雪,另一方面是用壓雪車壓雪,以達到比賽雪道的硬度標準。

    中國人造雪里的科技范兒

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

    其后,人造雪技術不斷發(fā)展,這讓冬奧會大規(guī)模使用人造雪成為可能。然而,由于我國在人造雪方面的研究起步較晚,國內賽道雪務技術幾乎空白,同時國外在這方面對中國進行技術封鎖,使得中國無法拿到賽道用雪的參數(shù)標準。在2016年以前,中國甚至造不出一條合格的“冰狀雪”賽道。

    為了給全世界運動員提供良好的賽事體驗,我國科學家開展了集中攻堅行動。2017年,在中國科學院院士、中國科學院冰凍圈科學國家重點實驗室名譽主任秦大河的帶領下,北京冬奧會賽事用雪保障關鍵技術研究團隊正式組建,誓要制造出中國人自己的“冰狀雪”。

    經過大量觀測和試驗,該團隊獲得了北京延慶、張家口賽區(qū)制造“冰狀雪”的屬地參數(shù),從機理上搞清了優(yōu)質雪道的雪質要求,成功制造出適應大陸性季風氣候特點的合格“冰狀雪”。

    最終,不同氣候條件的“冰狀雪”賽道制作技術被攻克,中國人靠自己打造出了“冰狀雪”賽道。此外,中國從造雪到除雪的技術全部達到國際賽事標準,實現(xiàn)了用雪自由;冰雪硬度測量儀和冰雪粒徑測量儀等“冰狀雪”賽道專業(yè)監(jiān)測設備也實現(xiàn)了國產化,大幅壓縮了辦賽成本。

    工欲善其事必先利其器。壓雪車是比賽雪道建設與維護必備的大型裝備,隨著我國自主研發(fā)生產的首臺大型壓雪車——SG400壓雪車下線,我國在大功率高端壓雪車產品領域實現(xiàn)了從0到1的突破。

    為了應對極寒天氣,SG400壓雪車設計的工作環(huán)境為零下40攝氏度,設計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雪層,符合我國雪場的實際使用需要。

    同時,在滿足主結構強度要求的前提下,研發(fā)人員對該壓雪車的車架及核心部件進行了輕量化設計,車架重量僅相當于一般工程車輛車架重量的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行。配合絞盤系統(tǒng),該壓雪車可攀爬坡度為45度的高山雪場。

    此外,該壓雪車的智能化控制系統(tǒng)可讓全車多個控制器有條不紊地處理來自傳感器、動作控制手柄、電子踏板的反饋信號,使其擁有了靈敏的“神經系統(tǒng)”。(陳 曦)

    關鍵詞: 冬奧會 北京 自由

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