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【中國科技網】冬奧賽道“體檢”用上了南極天文望遠鏡地基檢測技術

  科技日報記者 金鳳

  高山滑雪項目作為“冬奧會皇冠上的明珠”,追求技術、勇氣、速度、身體素質的綜合角逐。北京冬奧會開賽以來,有“雪飛燕”之稱的國家高山滑雪中心,助力運動員取得了運動佳績,也得到各界好評。

  在高山滑雪男子滑降比賽中,挪威選手塞耶斯泰德創造了本場比賽最快時速,瞬間時速高達139.71公里。 

  如何助力運動員高速、安全滑行,又如何保證比賽的公平性,使前后出發的滑雪運動員的賽道雪質狀態一致,這對賽道的建設要求頗高。

  2020年起,中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所(以下簡稱南京天光所)和中國氣象科學院的科研團隊不斷攻堅克難,自主研發粒徑檢測儀和冰雪強度檢測儀,為冰狀雪賽道“體檢”,努力為運動員高速滑行、減少運動損傷提供技術保障。

  “看著運動員不斷創造好成績,再辛苦也值得?!蓖黄悎?,實現同一個夢想,讓南京天光所副研究員溫海焜既自豪又欣慰。

  值得關注的是,這些檢測設備的關鍵技術,脫胎于我國在南極冰穹A地區的天文望遠鏡地基檢測。在本屆冬奧會上,這些技術率先得到驗證。

   

  溫海焜(右)與團隊科研人員在張家口云頂滑雪公園測量冰狀雪賽道硬度。 溫海焜供圖 

  粒徑檢測儀和冰雪強度檢測儀助力賽道達標 

  “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’?!睖睾j告訴科技日報記者,冰狀雪不同于天然雪,雪的表面有一層薄的硬冰殼,可減小賽道表面對于滑雪板的摩擦力。冰狀雪賽道分為競技和競速兩種,競技賽道要求高,雪密度一般在600-700千克/立方米左右,而競速賽道一般約為550-600千克/立方米。

  賽道鋪設完成后,是否能滿足比賽需要,就需要粒徑檢測儀和冰雪強度檢測儀來“體檢”了。

  “粒徑檢測儀中的近紅外激光經過粗糙的雪道表面時,會被無規律地向各個方向反射,造成激光強度減弱。激光減弱程度跟雪道表面的粗糙程度相關,而粗糙度是由冰狀雪粒徑決定的?!睖睾j解釋,粒徑是冰狀雪強度的表征,粒徑越小,分子排列就越緊密,雪道的強度就越大,一般來說,毫米級的粒徑比較理想。而通過激光的變化,就可以判斷出冰狀雪的粒徑是否符合賽事要求。

  冰雪強度檢測則是反映賽道質量的另一個重要指標?!叭绻┑烙捕却?,那么運動員不論第幾個出場,雪道的狀態都是相對完美的,保證了比賽的公平性;賽道又要有類似于塑膠跑道的特點,兼具有抓地力與彈性,確保運動員在滑行、跳躍時不受傷?!?/p>

  溫海焜介紹,冰雪強度檢測儀會將探針打入冰狀雪賽道內部,通過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,團隊成員數次前往冬奧會舉辦地北京延慶、河北張家口以及黑龍江哈爾濱亞布力冬季體育訓練基地,對冰狀雪賽道進行測試,獲得了不同深度冰雪粒徑變化圖和冰雪強度變化圖,助力賽道達標。

  關鍵技術發軔于南極望遠鏡地基檢測 

  如果不是冬奧會,這套檢測技術究竟能不能爆發“小宇宙”還是未解之謎。溫海焜坦言,這些技術最初是為我國搭建南極冰穹A地區的望遠鏡地基準備的。

  南極冰蓋最高點冰穹A,是地球上最好的天文觀測地點之一。我國在該地區已建有昆侖站,并安置了三臺光學望遠鏡,取得了一批前沿觀測和研究成果。

  “未來,我國還將增設一臺2.5米大視場高分辨率光學紅外望遠鏡。為了獲得好的觀測效果,盡量減少氣流的影響,所以望遠鏡要架設在15米高的塔架上,因此雪面地基要非常穩固?!?017年,溫海焜和團隊承擔了國家自然科學基金“Dome A 地區望遠鏡基墩參數化設計方法的研究”。

  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,但南極季節溫差大,冬天溫度最低可達約零下80℃,而夏天可達零下40℃左右。如果冰面浮動,架設天文望遠鏡的地基就會松動。

  如何選擇穩固的冰面就顯得尤為重要,近年來,南京天光所南極團隊不斷就昆侖站地區的冰雪地基承載力進行測試和研究,項目于2020年結題。

  但讓溫海焜沒有想到的是,冬奧的到來,讓冰雪粒徑檢測儀和冰雪強度檢測儀的關鍵技術率先用在了冬奧會上,但因為使用環境不同,儀器研發之初并不順利。

  “一開始我們按照自然雪的狀態研發設備,但測試時發現冰狀雪賽道的雪密度高、更硬一些,儀器無法貫穿賽道測量?!睖睾j和團隊調整參數,最終實現對不同氣候條件、不同注水強度的冰狀雪賽道進行分別測試。

  “在不同天氣下制作冰狀雪賽道,注水強度和時間都不同。如果注水強度大了,水流塊、水溫溫度高,冰面上層就會變軟;而如果注水時間長了,冰面又會變硬?!睖睾j表示,通過檢測和分析研究,團隊給出了在不同氣候條件下制作質量最佳的冰狀雪賽道的具體方案,為賽事提供支撐。

  “未來,我們也還將繼續冰狀雪賽道的研究,為中國冰雪健兒保駕護航?!睖睾j說。

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