高山滑雪項(xiàng)目作為“冬奧會(huì)皇冠上的明珠”，追求技術(shù)、勇氣、速度、身體素質(zhì)的綜合角逐。北京冬奧會(huì)開(kāi)賽以來(lái)，有“雪飛燕”之稱的國(guó)家高山滑雪中心，助力運(yùn)動(dòng)員取得了運(yùn)動(dòng)佳績(jī)，也得到各界好評(píng)。

在高山滑雪男子滑降比賽中，挪威選手塞耶斯泰德創(chuàng)造了本場(chǎng)比賽最快時(shí)速，瞬間時(shí)速高達(dá)139.71公里。

如何助力運(yùn)動(dòng)員高速、安全滑行，又如何保證比賽的公平性，使前后出發(fā)的滑雪運(yùn)動(dòng)員的賽道雪質(zhì)狀態(tài)一致，這對(duì)賽道的建設(shè)要求頗高。

2020年起，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所(以下簡(jiǎn)稱南京天光所)和中國(guó)氣象科學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)不斷攻堅(jiān)克難，自主研發(fā)粒徑檢測(cè)儀和冰雪強(qiáng)度檢測(cè)儀，為冰狀雪賽道“體檢”，努力為運(yùn)動(dòng)員高速滑行、減少運(yùn)動(dòng)損傷提供技術(shù)保障。

“看著運(yùn)動(dòng)員不斷創(chuàng)造好成績(jī)，再辛苦也值得。”同一片賽場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)同一個(gè)夢(mèng)想，讓南京天光所副研究員溫海焜既自豪又欣慰。

值得關(guān)注的是，這些檢測(cè)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，脫胎于我國(guó)在南極冰穹A地區(qū)的天文望遠(yuǎn)鏡地基檢測(cè)。在本屆冬奧會(huì)上，這些技術(shù)率先得到驗(yàn)證。

粒徑檢測(cè)儀和冰雪強(qiáng)度檢測(cè)儀助力賽道達(dá)標(biāo)

“高山滑雪比賽采用的是冰狀雪賽道，這種賽道可謂雪道的‘高速公路’。”溫海焜告訴科技日?qǐng)?bào)記者，冰狀雪不同于天然雪，雪的表面有一層薄的硬冰殼，可減小賽道表面對(duì)于滑雪板的摩擦力。冰狀雪賽道分為競(jìng)技和競(jìng)速兩種，競(jìng)技賽道要求高，雪密度一般在600-700千克/立方米左右，而競(jìng)速賽道一般約為550-600千克/立方米。

賽道鋪設(shè)完成后，是否能滿足比賽需要，就需要粒徑檢測(cè)儀和冰雪強(qiáng)度檢測(cè)儀來(lái)“體檢”了。

“粒徑檢測(cè)儀中的近紅外激光經(jīng)過(guò)粗糙的雪道表面時(shí)，會(huì)被無(wú)規(guī)律地向各個(gè)方向反射，造成激光強(qiáng)度減弱。激光減弱程度跟雪道表面的粗糙程度相關(guān)，而粗糙度是由冰狀雪粒徑?jīng)Q定的。”溫海焜解釋，粒徑是冰狀雪強(qiáng)度的表征，粒徑越小，分子排列就越緊密，雪道的強(qiáng)度就越大，一般來(lái)說(shuō)，毫米級(jí)的粒徑比較理想。而通過(guò)激光的變化，就可以判斷出冰狀雪的粒徑是否符合賽事要求。

冰雪強(qiáng)度檢測(cè)則是反映賽道質(zhì)量的另一個(gè)重要指標(biāo)。“如果雪道硬度大，那么運(yùn)動(dòng)員不論第幾個(gè)出場(chǎng)，雪道的狀態(tài)都是相對(duì)完美的，保證了比賽的公平性;賽道又要有類似于塑膠跑道的特點(diǎn)，兼具有抓地力與彈性，確保運(yùn)動(dòng)員在滑行、跳躍時(shí)不受傷。”

溫海焜介紹，冰雪強(qiáng)度檢測(cè)儀會(huì)將探針打入冰狀雪賽道內(nèi)部，通過(guò)低溫傳感器讀取探頭受到的反作用力，就能得出賽道不同深度的的硬度。

一年多來(lái)，團(tuán)隊(duì)成員數(shù)次前往冬奧會(huì)舉辦地北京延慶、河北張家口以及黑龍江哈爾濱亞布力冬季體育訓(xùn)練基地，對(duì)冰狀雪賽道進(jìn)行測(cè)試，獲得了不同深度冰雪粒徑變化圖和冰雪強(qiáng)度變化圖，助力賽道達(dá)標(biāo)。

關(guān)鍵技術(shù)發(fā)軔于南極望遠(yuǎn)鏡地基檢測(cè)

如果不是冬奧會(huì)，這套檢測(cè)技術(shù)究竟能不能爆發(fā)“小宇宙”還是未解之謎。溫海焜坦言，這些技術(shù)最初是為我國(guó)搭建南極冰穹A地區(qū)的望遠(yuǎn)鏡地基準(zhǔn)備的。

南極冰蓋最高點(diǎn)冰穹A，是地球上最好的天文觀測(cè)地點(diǎn)之一。我國(guó)在該地區(qū)已建有昆侖站，并安置了三臺(tái)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，取得了一批前沿觀測(cè)和研究成果。

“未來(lái)，我國(guó)還將增設(shè)一臺(tái)2.5米大視場(chǎng)高分辨率光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡。為了獲得好的觀測(cè)效果，盡量減少氣流的影響，所以望遠(yuǎn)鏡要架設(shè)在15米高的塔架上，因此雪面地基要非常穩(wěn)固。”2017年，溫海焜和團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了國(guó)家自然科學(xué)基金“Dome A 地區(qū)望遠(yuǎn)鏡基墩參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的研究”。

擺在科研人員面前的一大難題是，雖然南極冰穹A的冰芯厚約4000米，但南極季節(jié)溫差大，冬天溫度最低可達(dá)約零下80℃，而夏天可達(dá)零下40℃左右。如果冰面浮動(dòng)，架設(shè)天文望遠(yuǎn)鏡的地基就會(huì)松動(dòng)。

如何選擇穩(wěn)固的冰面就顯得尤為重要，近年來(lái)，南京天光所南極團(tuán)隊(duì)不斷就昆侖站地區(qū)的冰雪地基承載力進(jìn)行測(cè)試和研究，項(xiàng)目于2020年結(jié)題。

但讓溫海焜沒(méi)有想到的是，冬奧的到來(lái)，讓冰雪粒徑檢測(cè)儀和冰雪強(qiáng)度檢測(cè)儀的關(guān)鍵技術(shù)率先用在了冬奧會(huì)上，但因?yàn)槭褂铆h(huán)境不同，儀器研發(fā)之初并不順利。

“一開(kāi)始我們按照自然雪的狀態(tài)研發(fā)設(shè)備，但測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)冰狀雪賽道的雪密度高、更硬一些，儀器無(wú)法貫穿賽道測(cè)量。”溫海焜和團(tuán)隊(duì)調(diào)整參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣候條件、不同注水強(qiáng)度的冰狀雪賽道進(jìn)行分別測(cè)試。

“在不同天氣下制作冰狀雪賽道，注水強(qiáng)度和時(shí)間都不同。如果注水強(qiáng)度大了，水流塊、水溫溫度高，冰面上層就會(huì)變軟;而如果注水時(shí)間長(zhǎng)了，冰面又會(huì)變硬。”溫海焜表示，通過(guò)檢測(cè)和分析研究，團(tuán)隊(duì)給出了在不同氣候條件下制作質(zhì)量最佳的冰狀雪賽道的具體方案，為賽事提供支撐。

“未來(lái)，我們也還將繼續(xù)冰狀雪賽道的研究，為中國(guó)冰雪健兒保駕護(hù)航。”溫海焜說(shuō)。(科技日?qǐng)?bào)記者 金鳳)

關(guān)鍵詞： 南極望遠(yuǎn)鏡地基檢測(cè) 冰雪健兒 賽道達(dá)標(biāo) 高山滑雪