科技創新推動體育強國建設

　日期：2021-07-13   來源：中國社會科學網-中國社會科學報

　　作為我國“十四五”初期舉辦的重大標志性活動，2022年北京冬奧會、冬殘奧會（以下簡稱“北京冬奧會”）將發揮冰雪運動的示范和引領作用?！翱萍紛W運”是北京冬奧會和推動體育強國建設的應有之義。2021年1月19日，習近平總書記在位于張家口市崇禮區的國家跳臺滑雪中心觀看運動員訓練時指出，“同我們國家的強國之路一樣，中國冰雪運動也必須走科技創新之路，一方面要堅持自主創新，一方面要善于吸收國際上的先進技術和訓練方法”。

　　風洞訓練讓運動員“雪中飛”更高遠。近年來，一些國家利用風洞對運動員或運動裝備進行針對性訓練和測試，以此迅速提升運動員的競技成績。比如，由于風洞實驗的成本比計算機模擬的成本要高很多，英國研究者便采用計算流體力學的研究方式模擬自行車周邊的復雜氣流，這樣可以起到“虛擬風洞”的作用。他們的研究策略是應用有限元分析技術將自行車的組成部分拆分，實現零件化，通過計算各個部件單元的受力和變形情況得到可視化的數據。他們的研究成果使英國自行車隊優化了包括車把和車輪等諸多方面的設計，由此確立了英國在自行車項目上的強國地位。

　　真實的風洞輔助訓練更是可以迅速提高運動員成績。比如，加拿大曾專門為參加冬奧項目的運動員提供風洞模擬訓練，同時通過風洞實驗測試各種比賽服裝、頭盔、雪杖等裝備的性能，選擇最適合運動需求和人體力學的裝備參賽。加拿大運動員近年來在各類世界性冰雪大賽中取得佳績，與此不無關聯。再如，日本速滑團隊利用風洞技術進行專門測試訓練后，在平昌冬奧會速度滑冰女子團體追逐賽上，以2分53秒89奪得冠軍，并一舉打破冬奧會紀錄。

　　2020年10月，我國首座體育綜合訓練風洞落成。據設計單位研究人員介紹，這個訓練風洞由我國自主設計建造，是一座開口回流式風洞，包括鋼流道系統、動力系統、測試系統、控制系統、附屬配套系統、流場校測裝置和溫控系統等。風洞的噴口尺寸為2.5米×3米，試驗區長度8米，最大風速可達42米/秒，尺寸規模和風速范圍可滿足滑雪、滑冰、雪橇等冬季運動項目訓練需要，能夠輔助判斷和優化運動員的最佳競技姿態，檢測和標定參賽裝備的性能，定制精細化個性化的訓練方案，從而有效提升競速類體育項目運動員的技術極限，為國家隊備戰北京冬奧會提供科技支撐。

　　該風洞的各項性能處于同行業領先水平，尤其是在動壓均勻性、氣流偏角等流場品質方面優于已知的國外的類似風洞。由于以往的風洞實驗對象多為非生命的物體模型等，而對以“人”作為實驗對象的情況則缺乏必要的考量，綜合風洞的設計特意加裝了新風系統。不過，如何控制訓練環境的濕度、溫度及空氣的混濁度等方面，都是嶄新的課題。

　　通常來說，無論是體育比賽還是運動訓練都會考慮克服阻力的問題。比如，在夏季奧運會的田賽和徑賽中，風速往往是成績考量、測定和認證的重要指標，順風和逆風對成績存在顯著影響。但阻力對于冬奧會中的跳臺滑雪卻是一把雙刃劍，科學利用阻力會極大提高成績，反之就會成為提高成績的“攔路虎”。阻力可以分為靜態阻力和動態阻力。靜態阻力是運動過程中在某一固定姿勢或體位下，運動滑行或被牽引時所受到的阻力，是受力體不主動抗阻產生的。動態阻力則是在運動過程中，受力體本身的姿勢、體態做出主動或被動的運動調整后產生的。動態阻力通常與人體運動相關，是人體在某一運動姿勢下的靜態阻力和由于姿勢調整所產生阻力的復合力。流體力學認為，動態阻力的有關研究對提高運動成績具有實際意義。

　　以跳臺滑雪為例，一味減小阻力并不能顯著提高成績。在跳臺滑雪過程中，運動員的騰空時間通常為4—6秒，飛行速度最快可達到35—45米/秒，運動軌跡呈拋物線。運動員通過最高點后，滑行距離對于運動成績起著決定性作用。跳臺滑雪在空中的滑行距離主要取決于上升力和阻力之比，也就是“升阻比”。東京大學科學家谷一郎提出粘性流體理論，通過實驗測算發現，當運動員雙手緊貼身體兩側，人體、滑雪板和地面越接近零度角時，越容易獲得最大的升阻比和最遠的跳躍距離。當然，升阻比和跳躍距離除與運動員的空中姿態有關，還與運動員的物理設備有直接關系。風洞實驗可以為特定運動目的提供科學準確的數據支撐。

　　跨臨界制冷讓運動員“冰上行”更安全。冬奧會歷來都是“冰雪協奏曲”，對于冰上項目來說，最大的難題就是制冰——涉及清掃、收集、澆注、制冷等多個環節。由于冰刀、冰壺、冰球等各種冰上器械會對冰面切劃磕碰，“硬碰硬”極易造成冰面的常規性損傷。如果不及時清理，冰面會產生大量冰屑，冰屑冷凝后甚至可能直接凍在冰面上，造成冰面坑洼不平，不但會影響成績，還可能造成冰上事故。再加上室內冰場存在溫差，制冰也就成為冰上項目中最具有科技含量的攻關項目，而制冷則是難中之難。

　　20世紀90年代，隨著《蒙特利爾議定書》的生效，鹵代烷烴制冷劑逐漸退出歷史舞臺，二氧化碳作為環保性絕佳的純天然制冷劑，因其不消耗臭氧、無毒、不可燃、單位容積制冷量大和來源廣泛，受到各方青睞。由于制冷劑有限制性加壓液化的最低溫度（即臨界點），制冷循環要在遠離臨界點的范圍內實現，所以被稱為亞臨界循環。但由于冷卻介質仍是自然環境的空氣和水，壓縮機排氣壓力會高于臨界壓力，而蒸發壓力位于臨界壓力之下，制冷劑的臨界點位于制冷循環內，這種循環被稱為跨臨界循環。壓縮機是整個循環系統的核心。二氧化碳跨臨界制冷循環系統壓力高、壓差大，所以，這種循環對硬件系統和相應組件的強度要求極高。

　　一些發達國家在20多年前開始嘗試將二氧化碳應用于人工冰場的制冷系統。比如，1999年，澳大利亞的多恩比恩（Dornbirn） 冰場首次成功使用二氧化碳作為制冷劑制冰。目前，歐美、日本等地區和國家已有20多座人工冰場采用二氧化碳制冷系統。2014年，瑞典吉莫（Gimo）冰場設計了完整的熱回收系統，以用于滿足冰場的熱需求，系統節能60%，能效比得到極大提高。

　　2021年1月，北京冬奧會場館國家速滑館“冰絲帶”完成速滑賽道的首次制冰。值得關注的是，此次制冰是冬奧會史上速滑館首次應用二氧化碳跨臨界直接蒸發制冰系統。這種制冰方式高效環保，可以為冬奧會提供溫度高度均衡的冰面。按照國際滑聯的要求，場館冰面溫差不能超過1.5℃，使用這種制冰技術后，理論上可以實現冰面溫差不超過0.5℃。溫差越小，就意味著冰面的硬度越均勻，冰面越平整，也就越有利于出成績。最難能可貴的是，由此產生的碳排放量可以忽略不計。這標志著我國在壓縮機、換熱器和回熱器等系統核心硬件方面取得了重大突破，并進行了成功應用。

　　“十四五”規劃提出，“把科技自立自強作為國家發展的戰略支撐”，同時要“建設體育強國”，“辦好北京冬奧會、冬殘奧會”。把這兩者進行有機結合，方可高效率高質量地提升我國冰雪運動水平。建設體育強國，根在群眾，重在科技。

　　【本文系黑龍江省教育科學“十四五”規劃重點課題（GJB1421025）階段性成果】

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