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冬奥九金,是“吹”出来的吗?

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作者:陈俊一
编辑:林泽玲 常亮 2022-02-22 12:52
风洞正处于从实验室到商业化转折的关键阶段。

冬奥会闭幕,中国队大获全胜。现在还有多少人记得,4年前的平昌冬奥会上,中国队获得了多少金牌?

答案是仅仅一枚,还是武大靖在最后一天艰难摘得。如果武大靖当时稍有闪失,那中国队在金牌上就要不幸得“零蛋”了。

自2002年盐湖城冬奥会中国首次实现金牌数零的突破,并在2010年温哥华冬奥会破天荒拿下5枚金牌的高峰之后,中国队的冬奥金牌数就一直在下滑。

只有闪闪生辉的金牌,才能吸引最多关注。不同于上届冬奥会最后一日才拿下金牌,北京冬奥会上,主场作战的中国队拿下了9枚金牌,“同比”上届增长了9倍,位居金牌榜第三。

成绩提高,与各种科技手段参与冬奥备战不无关系,比如本届冬奥会新引入的“风洞”这一科技装备。其实,国外同行多年前就将风洞技术引入体育训练,为什么中国队慢人一拍?风洞在冬奥会备战中到底发挥了怎样的作用?风洞还将给我们带来哪些想象?

顶尖之间,差距只有微毫

普通人与奥运冠军之间的差距之大,甚至会让人觉得:顶尖运动员简直是非人一般的存在。但世界顶尖之间的差距之小,却又只在毫厘之间,细不容发。

如果玩过射箭项目,都知道弓箭靶子的大小,所以人们往往会误以为奥运击枪类的靶子也有那么大。

其实,十米气步枪比赛的靶子,最外环直径45.5毫米,差不多就是两个大拇指宽——整个靶子恐怕都未必有弓箭靶子的靶心大。其中第10环直径更是只有0.5毫米,奥运选手比拼的,就是这1毫米之内的差距。

冬奥会上的雪橇项目,名次之间的差距甚至小到千分之一秒。2021年11月,中国雪橇男子运动员范铎耀首次获得雪橇世界杯正赛资格,就是靠在资格赛中领先了第18名0.001秒,以第17名的成绩成功突围进入正赛。冬奥会上,范铎耀尽管没有获得奖牌,但成绩相比几个月之前的雪橇世界杯也已大为提高。

国家雪车雪橇中心

图源:新华社

在北京冬奥会获得首金的项目短道速滑混合团体接力赛中,中国队也是以0.016秒的优势击败对手获得冠军。

顶尖选手之间的差距,很小。因为顶尖选手,都会用到目前最先进的训练方法与装备。

据报道,速滑运动中,空气阻力最高可达十级大风。为了提升速滑服减阻性能,中国短道速滑队运动员们穿的速滑服,是北京服装学院刘莉团队经过2000多份设计手稿绘制,进行110多款样服打版和超800小时的风洞测试才定型,最终将服装的减阻性能提升了10%。

这也让中国短道速滑项目收获颇丰,在短道速滑男子1000米决赛中,中国选手任子威获金牌,李文龙获得银牌,武大靖获得第四——差一点中国队就要包揽金银铜奖牌了。

速滑服等专业运动服装研发的背后,离不开风洞测试与相关科研机构。

据环球时报报道,2019年国家体育总局就与航天科技十一院深化合作,由航天科技十一院三所设计并建造我国首座体育风洞。这座体育风洞于2020年10月建成,位于中车二七国家冰雪运动科训基地。

风洞的口径宽为2.5米,高为3米,测试段长度为8米,风速相当于14级的强台风,尺寸和风速上适合雪车、雪橇、滑雪板等各种冬奥项目的训练。

还有更多科研机构提供风洞训练技术支持,如北京交通大学土建学院风洞实验室就为备战冬奥会作出很大贡献。北京交通大学教授李波也因此被授予“中国冰雪科学家”荣誉称号。

北京交通大学土建学院风洞实验室

图源:央视

据报道,李波率领团队研发了我国第一套冰雪项目风洞辅助训练系统,能够将风速、风阻力、姿态、重心位置、测试指令通过投影仪实时反馈给测试运动员,通过定量化的数据,进行运动姿态、队列优化。

通过多个科研机构的协作,中国的专业体育风洞在硬件、软件上逐渐成型,李波团队的风洞测试全套辅助装置,也形成了从环境风评估到减阻等完整风洞技术应用体系,应用于15支冰雪项目国家集训队的300多名运动员。

冠军意味着一次次突破人类极限。极限中的每一次突破,也都在毫厘之间。冬奥会速度滑冰男子500米决赛中,中国选手高亭宇34.32秒是成绩,以0.09秒速度差打破奥运纪录,获得中国男子速滑首枚金牌。其实亚军韩国选手车旼奎34.39秒的成绩也打破了此前的奥运纪录,只比高亭宇差了0.07秒。

在二七基地速滑馆的冬奥备战训练中,中国风洞科研人员还和教练团队一起开发风扇助推系统,利用风扇生成顺风环境,通过这种超速训练让高亭宇形成肌肉记忆,提高滑行速度。高亭宇穿的速滑服也是经过几百个小时风洞测试、为了有效降低风阻而设计制版——不过风阻最低的时候包裹度太高,也导致高亭宇滑完就要拉开拉链解衣服。

风洞等全新科学训练方法,就这样在幕后帮助中国冬奥会取得更多金牌。

风洞训练,不止助力冬奥

在发达国家,风洞辅助训练多年前就引入奥运备战。

据报道,在2010年温哥华冬奥会举办前,加拿大国家队就利用风洞对10多个冬奥项目进行测试,这也助力加拿大在温哥华冬奥运会上拿到14枚金牌。在2018年平昌冬奥会前,日本速度滑冰团队也是在风洞测试中优化队列、训练动作,并在平昌冬奥会速度滑冰女子团体追逐赛上以2分53秒89夺得冠军,打破冬奥会纪录。

只要涉及气流或水流问题的运动项目,都适用于风洞训练。因此,风洞训练并不限于冬奥,在夏季奥运会乃至更多运动项目上都有参与。不管是短跑、跳远、跳高、游泳、赛艇、帆船、自行车,还是跳伞、滑翔、冲浪、赛车,在气动环境模拟、运动装备优化、运动员肌肉记忆训练上,都需要风洞测试的参与。

比如F1方程式赛车等烧钱运动,早就在通过风洞实验改进车型。东京奥运会上中国代表队在游泳、跳水、赛艇、帆船和自行车等多个项目的奖牌全面开花,也与风洞技术的加持有一定关系。

如航天科技集团十一院低速风洞试验室,就安装了双人赛艇,可以测试风的阻力对赛艇和运动员所带来的影响,也帮助2021东京奥运会上中国赛艇女子四人双桨夺金。

十一院的科研人员还专门研发三维力测量平台,监测运动员抓桨、推桨、出水、回桨、队姿变换等不同动作姿态的气动力大小,测量动作变换的微小差量,再反馈到运动员的动作中来,比较哪一种动作风阻会相对小,为运动员的比赛提供科学的参考。

风洞测试中,很重要的一项技术就是测量技术。据中国航天电子技术研究院介绍,早在2019年12月,国家体育总局便向航天九院发出项目需求,希望利用先进航天技术研发出精密测量产品,帮助游泳运动员加强训练科学性。

九院13所时代光电公司的运动测量团队将应用在飞行器上的惯性技术成功嫁接在游泳训练中,惯性技术能捕捉精细动作,利用惯导分系统得到运动员每一秒的姿态、呼吸情况以及在泳池里每一次往返的划频、划幅、划次、转身时间等多项技术参数,从而实现对每个动作的精细量化评估。

没有这样的自研运动测量产品,运动员的风洞试验也无法进行精确衡量。国家游泳队的张雨霏、杨浚瑄、徐嘉余、刘湘、闫子贝、余依婷等6名世界冠军,均在风洞中参与了试验。

李波教授团队研发的我国首个冰雪项目风洞辅助训练系统,不仅用于冰雪项目,也为国家自行车集训队提供辅助训练。据报道,取得东京奥运会金牌的钟天使、鲍珊菊等自行车队员就使用了这一系统进行训练。

据不完全统计,清华大学、浙江大学、复旦大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、重庆大学、大连理工大学、北京林业大学、东北大学等国内众多高校都对冬奥有风洞、测量等多种技术贡献。

涞源国家跳台滑雪训练科研基地

图源:网络

2020年10月国内首座体育综合风洞在二七厂科训基地正式启用之后,国家体育总局还在进行体育风洞集群的规划和建设。据介绍,目前国家体育总局的风洞集群包括三大两小:“三大”即北京二七厂科训体育综合风洞、涞源跳台滑雪专业风洞、秦皇岛国家训练基地垂直风洞,“两小”则是两个可移动式风洞。从冬奥到“夏奥”,风洞已经开始得到大规模应用。

科研人员的参与、风洞训练的引入、风洞集群的建设,同样离不开相关主管领导的力推。

体育风洞,需要技术官僚

2016年里约奥运会上,中国代表团以26金的成绩,屈居英国27金之后,位居金牌榜第三。

14亿人口的大国,在夏季奥运会上竟然输给了人口只有6700万的英国。里约奥运会上输给英国,也让体育改革成为重要议题。

毕业于西北电讯工程学院(现西安电子科技大学)电子工程系的苟仲文临危受命,出任国家体育总局局长。坊间有人戏称“汉东空降沙瑞金,体总空降苟仲文”。

苟仲文懂技术,但并不是体育运动员出身。此前七任体育总局局长都是军人或运动员出身,很多人会担心他“外行指导内行”。

作为以“改革派”、“技术派”著称的技术官僚,他大刀阔斧进行改革,坚持取消了“中国体育梦之队”国乒总教练刘国梁的职位,刘国梁随后任乒协排名第19位的副主席,被很多人视为“明升暗降”。

有论者说:秦桧要动岳家军,谁好谁坏忠奸分明。但假设是顶着“改革家”头衔的王安石要动岳家军,又有谁愿意独立思考,去探究一下原因?

苟仲文还因为力推体能训练饱受争议。2020全国游泳冠军赛上,一些名将游泳成绩打破了亚洲纪录,但体能测试不达标,无缘决赛,引发“众怒”。

游泳运动员为什么要跑步?体能真的有那么重要?一些“内行人”包括游泳名将是不认同的。但改革者却坚持认为,体能不行就要“一票否决”。

改革备受质疑,似乎就是改革者的宿命。有勇气和智慧强力推行改革,也是改革者成功的关键。体育领域一直以来“重技术、轻体能;重专项体能、轻基础体能”的状况,在苟仲文的强推下终于开始改变。

风洞测试更是苟仲文力推的一项重要变革。作为工程师出身的国家体育总局局长,他强调“科技助力体育”,担任局长后就开始与国内科研机构对接,研发、筹建体育风洞。有不少媒体报道过苟仲文对引入风洞的“痴迷”。

其实,在更早之前的2009年,当时还未担任国家体育总局局长的苟仲文,就参与过中科院力学研究所“钱学森工程科学实验基地”项目的建设。而该基地最重要的装备之一,是能够复现高超声速飞行条件的激波风洞。


国内某激波风洞

来源:央视新闻

也许,中国国家队众多项目引入风洞训练的改革,十几年前就埋下了伏笔。

风洞训练本就不分冬夏。2021年东京奥运会,风洞测试就已经大量参与多个运动项目备战。中国体育代表团也以38金32银18铜的成绩排名第二,终于改变了里约奥运会上令人难堪的“败绩”。

本届冬奥会,中国队更是用前所未有的成绩,生动诠释了“科学技术是第一生产力”。

当然,成绩是集体的功劳。没有苟仲文的强力推动,一定会有其他人担任国家体育总局局长,或早或晚,都会推动风洞训练进入更多体育项目。

风洞产业,发展潜力多高

早在1900年,莱特兄弟在成功发明飞机之前,就建造了一个风洞,截面40.6厘米×40.6厘米,长1.8米,气流速度可达40-56.3千米/小时,用于测试飞机不同机翼结构的升力、操控等。莱特兄弟也在测试200多种机翼结构之后发现,在当时的技术条件下窄而长的翼型比短而厚的翼型能产生更大的升力。

早期的风洞,就是一个大风扇加一个管子的简单构造。但现在的风洞,已经是国之重器一般的科技装备。据统计,风洞设计包括气动力学、结构力学、材料学、计算机、控制学、声学等20多个学科或专业领域,需要综合动力、电力、机电、控制、测量、模型制作等很多先进技术,配置传感、观察、摄像、测量、记录、消音、加热、散热等很多附属设备。

风洞的应用,已经从航空航天、军工扩展到汽车、高层建筑、桥梁、风电叶片等众多领域,以及如今正热的体育产业。

中国体育大量引入风洞测试的时间,大概晚于发达国家10年左右。这是否意味着中国风洞技术落后于发达国家10年?

并不是。

据国防科技大学国防科技战略研究智库王群教授介绍,中国早已是风洞强国,仅四川绵阳中国空气动力研究与发展中心就拥有包括低速、高速和高超声速以及多声速、跨声速、激波等全球门类最为齐全的风洞群。

国内拥有高端风洞的科研机构还有很多。为什么在中国风洞应用到体育领域相比发达国家如此之晚?

不妨先思考下,一项技术应用到一个新领域的时间到底需要多久?

风洞从航空领域应用到体育领域,大概用了100年左右。最先是发达国家开始应用,如2008年北京奥运会,靠着风洞测试的助力,英国自行车队一举夺得8枚金牌,此后三届奥运会,又继续拿下20枚金牌。

在目前一些关于冬奥会背后风洞技术的新闻报道中,往往默认此前中国队不懂风洞训练这回事。如有报道指出,2018年中国风洞科研人员跟随国家体育总局赴英国考察,在伦敦同当时英国队的主教练以及传奇运动员进行了深入交流,才发现英国队将风洞技术作为自己的秘密武器。

其实,这是对技术应用的误解。

一项全新技术的引入,往往需要多种契机。以往中国队并非不知道风洞训练,在国内没有专业体育风洞的情况下,也有如跳台滑雪等运动员队伍前往国外进行风洞训练。

没有建造体育风洞,可能是当时成本还太高,可能是技术依然存在缺陷,或者缺少产业配套。而其中,体育领域产业化、商业化上与发达国家的差距,可能才是更大的原因。

中国体育风洞晚于发达国家至少10年,其实落后的不是风洞技术,而是体育产业,其中冰雪产业说落后20年都不为过。

直到本届冬奥会,中国的冰雪产业才爆发式增长。

据国家统计局,从北京冬奥会申办成功至2021年10月,全国参与冰雪运动的人数为3.46亿,冰雪运动参与率超过24%。其中,2020-2021雪季冰雪休闲旅游人次达到2.3亿,冰雪休闲旅游收入超过3900亿元,预计2021-2022冰雪季我国冰雪休闲旅游人次将达到3.05亿。

足够多的人参与到包括冰雪项目的体育运动中,体育产业真正发展起来,高端风洞技术才有机会渗透到体育这一民用领域。

运动是天然的,但奥运超脱于天然的运动。比如2月13日张家口地区降下天然大雪,却影响到了滑雪比赛,谷爱凌当日要参加的一场自由式滑雪坡面障碍技巧比赛只能延期至次日。

图源:网络 

自然降雪比较蓬松,湿度更大,摩擦力更大,不适合滑雪。高科技装备下的人工降雪才更适合运动员比赛。

运动不仅是身体的竞技场,也是科技的竞技场。体育产业的发展,也将给风洞产业带来更多的应用场景和用武之地。

据统计,2020年2.7万亿体育产业规模中,体育服务业占比近7成;从内部构成看,体育服务业增加值为7374亿元,占体育产业增加值的比重为68.7%。提供风洞测试、训练服务,其实就可以归属于体育服务业中。

但风洞运营目前仍然以高校科研机构实验室为主,除了少数领域如汽车风洞测试等之外,总体上商业化程度并不高。

eVTOL(电动垂直起降飞行器)企业时的科技主管工程师武志鹏告诉亿欧EqualOcean,时的科技的飞行器目前进行的风洞测试,主要是与南航等高校、科研机构的风洞实验室进行合作。

一方面,时的科技较为复杂的倾转旋翼部件,在进行风洞测试时搜集的数据能够为高校的风洞实验室提供改进参考;另一方面时的科技也借风洞测试修正自己飞行器设计,双方实际上都能各取所需,不同于普通的商业合作。

高校风洞实验室这种合作机制,类似于中国空间站所采取的向全球所有国家的科研人员开放实验项目申请,实验项目只要共享实验数据,就可以获得免费的上行发射、测控或回收等服务。

当然,科研机构提供风洞测试并非免费,高等级、大尺寸风洞测试对商业公司而言门槛还是很高。成本、精确度等因素都对风洞适用范围有影响。

时的科技总体主任工程师张建斌告诉亿欧EqualOcean,风洞测试依然无法完全模拟真实情况,首先是受限于风洞尺寸,试验模型一般都是缩比模型,部分气动特征还会存在差异,无法保证完全满足气动相似准则(马赫数和雷诺数);其次,风洞数据需要修正,比如动臂干扰和支架干扰,对试验结果的影响也较大,需要大量工程积累以确保修正结果的可靠性;第三,风洞试验模拟的工况一般较为简单,与飞行器实际飞行工况存在差异。

相对的,CFD(计算流体分析)可以很好地模拟复杂工况下的气动特性,包括真实来流工况和动力效应影响,且能够进行流场细节的观察,可以较好支持飞行器优化设计,国内外应用很普遍。不过受制于计算分析模型的准确性、局限性以及计算资源的原因,对于使用者的能力和经验要求较高。

因此,目前时的科技主要使用CFD进行气动学分析,并以风洞试验数据用于校准,还会采用模型飞行试验的方法进行验证和确认。

时的科技飞行器CFD仿真模拟图

图源:时的科技

有趣的是,工业、制造业越来越多应用仿真模拟的风洞测试,体育领域中的一些项目却必须用到真实的风洞,而且必须要进行全尺寸测试,因为运动员无法缩比。

当然,真实风洞和仿真模拟、人工智能都是不可或缺的。

东京奥运会上打破男子100米亚洲记录的苏炳添,在日常训练中就通过计算机仿生模拟,计算跑步时步长、预备时膝关节角度等多方面数据,制订个性化、数据化的训练方案。

北京冬奥会自由式滑雪女子空中技巧项目比赛金牌得主徐梦桃,备战训练中也有AI教练参与。甚至AI教练还取了“观君”这一谐音“冠军”的名字。

风洞产业和碳纤维产业类似,一方面是五代战机等重大军工装备研发必不可少的国之重器,另一方面也是体育、休闲等产业走出新路径、发现新项目的创新源泉。

现阶段,国内风洞的运作依然以高校、科研机构实验任务为主,如果不是配合重大任务,主动开拓新应用领域的案例还不多。风洞产业也尚未进入大规模商业化阶段,仅有中国汽研风洞中心等少数商业化案例,以及风洞建设供应商的零散中标案例。

但随着如体育产业、eVTOL产业的发展,更多科研机构的风洞也将在科学实验性质的合作之外,寻找到更多商业化合作机会。

正如国家体育总局局长苟仲文主导的体育改革,让体育走出“圈子”走向“开放”,从体育部门办体育转变为全社会共同参与办体育。体育产业已是万亿元级的规模,据统计,2020 年全国体育产业总规模为 27372 亿元。如此大的市场规模,也有利于风洞等新技术的大规模商业化、产业化。

冬奥已经闭幕,运动不会停歇。让未来普通人都尽可能用较低的成本享受风洞训练服务,也是风洞技术民用化的应有之义。


本文来源于亿欧网,原创文章,作者:陈俊一。
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