迎“風”而行 科技助力冬奧備戰

權婧宜

風洞，是進行空氣動力學研究的主要裝置，其最大特點是可以人為控制氣流來模擬不同場景，并在此基礎上測試對象受到的空氣阻力。風洞技術通常應用于航空航天、載運工具、土木工程等領域，近些年也被廣泛應用于體育運動領域，成為提高運動員競技成績的重要科技手段之一。

北京交通大學土木建筑工程學院教授李波，帶領團隊研發了中國第一套冰雪項目風洞輔助訓練系統，建立了運動裝備風阻性能評測及運動員風洞測試方法，2021年7月被國家體育總局授予“中國冰雪科學家”的稱號。

現代競技體育是一個非常復雜的“人-機-環”系統工程，跟運動員的訓練、裝備、賽時環境密切相關。這其中，離不開風洞技術。

2018年，李波隨國家體育總局一行赴英國考察，英國空氣動力學專家介紹，他們運用風洞技術幫助英國自行車代表隊在2008年北京奧運會中拿到了8枚金牌。這深深觸動了李波，讓他認識到了風洞技術對于競速體育成績提升的重要性以及風洞技術自主研發的迫切性。這次考察也改變了這位從事建筑抗風設計者的重點科研方向。

之后，李波帶領團隊建立了中國第一套風洞輔助訓練系統，而這一切都是從零開始。從最初的資料收集，到對每個需要測試的體育項目的學習了解，再到專業測量儀器的研發調試，工作多而龐雜。其中最難的環節當屬專業測量儀器的自主研發。李波介紹：“輔助訓練系統不僅需要一個風洞平臺，還需要測量儀器，要求我們首先進行核心硬件的研發，將運動員所承受的風阻力精確測量出來。”

多模塊天平是風洞輔助訓練系統的核心研發部件。在風洞中，運動員需要站在一塊類似天平的測量儀器上進行風阻測試。因為運動員加上裝備后的重量很大，并且底面積也很大，所以用傳統的單點支撐風阻測量儀器很難進行精確測量。為了提高測量精度，李波和團隊專門研發出多模塊天平，將天平測量儀中的單點支撐改為四點支撐，通過更多的測量感應點來提高識別精度，建立了更精確的測試系統，提高測試效率。

在東京奧運會期間，參加游泳、競走、馬拉松等比賽的多支中國代表隊都曾參加過風洞測試。李波和團隊在風洞實驗室中模擬高速運動的狀態，通過高精度測力天平監測和分析運動員在不同姿態、不同隊列形態下所受到的空氣阻力，最終生成實驗報告，將定量化的數據提供給各自運動隊，為提升運動成績提供技術支持。

針對冬奧會中的冰雪項目，風洞實驗室既可以為運動員開展專項訓練提供良好的模擬環境，又可以極大提升訓練效率。以跳臺滑雪項目為例，運動員需用6分30秒的時間乘坐纜車登上高臺，走到訓練高度的階梯，坐上扶桿，等待教練員指令，雙手推桿滑出……這一切，只為在空中5秒的飛行。一趟訓練流程走完短則10余分鐘，如遇天氣變化，則需在高臺上等待超過30分鐘，甚至臨時取消訓練。因而，每位運動員一個上午最多能訓練5次，飛行時間加起來不過30秒。“但如果我們在風洞實驗室中進行一個階段的專項訓練，每次每種訓練進行兩分鐘，就等于運動員在空中飛行了幾十次。”李波介紹說。

“經過一段時間的摸索，我們已經形成了一套完整的風洞技術應用體系：包括冬季項目的訓練方法、運動姿態和運動隊列的優化減阻、環境風影響評估以及應對技術、運動裝備風阻性能評測技術，直接應用到北京2022年冬奧會的備戰中。”李波說。截至2021年9月30日，北京交通大學風洞實驗室研究團隊已經完成了冬奧會15個項目的風洞測試，參加測試的運動員達367名。

除了運動員訓練可以依靠風洞模擬比賽環境以外，體育比賽的場館設計、賽道設計等也都需要考慮風帶來的影響。

北京2022年冬奧會延慶賽區位于小海陀山，該賽區地形復雜、大風凜冽，冬季極端風速可達40米每秒，抗風是該賽區基礎設施、賽時臨時設施建設的關鍵。

為了研究延慶賽區基礎設施、賽時臨時設施建設的抗風能力，李波與團隊成員采用實測與地形試驗相結合的方法，對延慶賽區復雜的山區風場特性進行了研究，確定了重要建筑結構抗風設計所需的風場參數；同時結合延慶賽區基礎設施的形體和結構特征，提出了選取節段模型進行風洞試驗等方法，助力延慶賽區基礎設施及賽時臨時設施的建設。

據李波介紹，目前中國正在建設體育專業風洞集群。2020年10月25日，國內首座體育綜合風洞在二七廠科訓基地正式啟用。李波和團隊全程參與了包括這座風洞在內的國家體育總局體育風洞集群的規劃和建設。目前國家體育總局已經建設的風洞集群包括：二七廠科訓體育綜合風洞、淶源跳臺滑雪專業風洞、小型便捷式風洞、垂直風洞等。隨著應用技術的成熟，風洞技術未來或許還能應用在群眾體育中。