原标题：科技创新推动体育强国建设

　　作为我国“十四五”初期举办的重大标志性活动，2022年北京冬奥会、冬残奥会（以下简称“北京冬奥会”）将发挥冰雪运动的示范和引领作用。“科技奥运”是北京冬奥会和推动体育强国建设的应有之义。2021年1月19日，习近平总书记在位于张家口市崇礼区的国家跳台滑雪中心观看运动员训练时指出，“同我们国家的强国之路一样，中国冰雪运动也必须走科技创新之路，一方面要坚持自主创新，一方面要善于吸收国际上的先进技术和训练方法”。

　　风洞训练让运动员“雪中飞”更高远。近年来，一些国家利用风洞对运动员或运动装备进行针对性训练和测试，以此迅速提升运动员的竞技成绩。比如，由于风洞实验的成本比计算机模拟的成本要高很多，英国研究者便采用计算流体力学的研究方式模拟自行车周边的复杂气流，这样可以起到“虚拟风洞”的作用。他们的研究策略是应用有限元分析技术将自行车的组成部分拆分，实现零件化，通过计算各个部件单元的受力和变形情况得到可视化的数据。他们的研究成果使英国自行车队优化了包括车把和车轮等诸多方面的设计，由此确立了英国在自行车项目上的强国地位。

　　真实的风洞辅助训练更是可以迅速提高运动员成绩。比如，加拿大曾专门为参加冬奥项目的运动员提供风洞模拟训练，同时通过风洞实验测试各种比赛服装、头盔、雪杖等装备的性能，选择最适合运动需求和人体力学的装备参赛。加拿大运动员近年来在各类世界性冰雪大赛中取得佳绩，与此不无关联。再如，日本速滑团队利用风洞技术进行专门测试训练后，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，并一举打破冬奥会纪录。

　　2020年10月，我国首座体育综合训练风洞落成。据设计单位研究人员介绍，这个训练风洞由我国自主设计建造，是一座开口回流式风洞，包括钢流道系统、动力系统、测试系统、控制系统、附属配套系统、流场校测装置和温控系统等。风洞的喷口尺寸为2.5米×3米，试验区长度8米，最大风速可达42米/秒，尺寸规模和风速范围可满足滑雪、滑冰、雪橇等冬季运动项目训练需要，能够辅助判断和优化运动员的最佳竞技姿态，检测和标定参赛装备的性能，定制精细化个性化的训练方案，从而有效提升竞速类体育项目运动员的技术极限，为国家队备战北京冬奥会提供科技支撑。

　　该风洞的各项性能处于同行业领先水平，尤其是在动压均匀性、气流偏角等流场品质方面优于已知的国外的类似风洞。由于以往的风洞实验对象多为非生命的物体模型等，而对以“人”作为实验对象的情况则缺乏必要的考量，综合风洞的设计特意加装了新风系统。不过，如何控制训练环境的湿度、温度及空气的混浊度等方面，都是崭新的课题。

　　通常来说，无论是体育比赛还是运动训练都会考虑克服阻力的问题。比如，在夏季奥运会的田赛和径赛中，风速往往是成绩考量、测定和认证的重要指标，顺风和逆风对成绩存在显著影响。但阻力对于冬奥会中的跳台滑雪却是一把双刃剑，科学利用阻力会极大提高成绩，反之就会成为提高成绩的“拦路虎”。阻力可以分为静态阻力和动态阻力。静态阻力是运动过程中在某一固定姿势或体位下，运动滑行或被牵引时所受到的阻力，是受力体不主动抗阻产生的。动态阻力则是在运动过程中，受力体本身的姿势、体态做出主动或被动的运动调整后产生的。动态阻力通常与人体运动相关，是人体在某一运动姿势下的静态阻力和由于姿势调整所产生阻力的复合力。流体力学认为，动态阻力的有关研究对提高运动成绩具有实际意义。

　　以跳台滑雪为例，一味减小阻力并不能显著提高成绩。在跳台滑雪过程中，运动员的腾空时间通常为4—6秒，飞行速度最快可达到35—45米/秒，运动轨迹呈抛物线。运动员通过最高点后，滑行距离对于运动成绩起着决定性作用。跳台滑雪在空中的滑行距离主要取决于上升力和阻力之比，也就是“升阻比”。东京大学科学家谷一郎提出粘性流体理论，通过实验测算发现，当运动员双手紧贴身体两侧，人体、滑雪板和地面越接近零度角时，越容易获得最大的升阻比和最远的跳跃距离。当然，升阻比和跳跃距离除与运动员的空中姿态有关，还与运动员的物理设备有直接关系。风洞实验可以为特定运动目的提供科学准确的数据支撑。

　　跨临界制冷让运动员“冰上行”更安全。冬奥会历来都是“冰雪协奏曲”，对于冰上项目来说，最大的难题就是制冰——涉及清扫、收集、浇注、制冷等多个环节。由于冰刀、冰壶、冰球等各种冰上器械会对冰面切划磕碰，“硬碰硬”极易造成冰面的常规性损伤。如果不及时清理，冰面会产生大量冰屑，冰屑冷凝后甚至可能直接冻在冰面上，造成冰面坑洼不平，不但会影响成绩，还可能造成冰上事故。再加上室内冰场存在温差，制冰也就成为冰上项目中最具有科技含量的攻关项目，而制冷则是难中之难。

　　20世纪90年代，随着《蒙特利尔议定书》的生效，卤代烷烃制冷剂逐渐退出历史舞台，二氧化碳作为环保性绝佳的纯天然制冷剂，因其不消耗臭氧、无毒、不可燃、单位容积制冷量大和来源广泛，受到各方青睐。由于制冷剂有限制性加压液化的最低温度（即临界点），制冷循环要在远离临界点的范围内实现，所以被称为亚临界循环。但由于冷却介质仍是自然环境的空气和水，压缩机排气压力会高于临界压力，而蒸发压力位于临界压力之下，制冷剂的临界点位于制冷循环内，这种循环被称为跨临界循环。压缩机是整个循环系统的核心。二氧化碳跨临界制冷循环系统压力高、压差大，所以，这种循环对硬件系统和相应组件的强度要求极高。

　　一些发达国家在20多年前开始尝试将二氧化碳应用于人工冰场的制冷系统。比如，1999年，澳大利亚的多恩比恩（Dornbirn） 冰场首次成功使用二氧化碳作为制冷剂制冰。目前，欧美、日本等地区和国家已有20多座人工冰场采用二氧化碳制冷系统。2014年，瑞典吉莫（Gimo）冰场设计了完整的热回收系统，以用于满足冰场的热需求，系统节能60%，能效比得到极大提高。

　　2021年1月，北京冬奥会场馆国家速滑馆“冰丝带”完成速滑赛道的首次制冰。值得关注的是，此次制冰是冬奥会史上速滑馆首次应用二氧化碳跨临界直接蒸发制冰系统。这种制冰方式高效环保，可以为冬奥会提供温度高度均衡的冰面。按照国际滑联的要求，场馆冰面温差不能超过1.5℃，使用这种制冰技术后，理论上可以实现冰面温差不超过0.5℃。温差越小，就意味着冰面的硬度越均匀，冰面越平整，也就越有利于出成绩。最难能可贵的是，由此产生的碳排放量可以忽略不计。这标志着我国在压缩机、换热器和回热器等系统核心硬件方面取得了重大突破，并进行了成功应用。

　　“十四五”规划提出，“把科技自立自强作为国家发展的战略支撑”，同时要“建设体育强国”，“办好北京冬奥会、冬残奥会”。把这两者进行有机结合，方可高效率高质量地提升我国冰雪运动水平。建设体育强国，根在群众，重在科技。

　　（陈鞠、王洋，作者单位：黑龙江大学体育部）