冬奥赛道“体检”用上了南极天文望远镜地基检测技术

　　科技日报记者 金凤

　　高山滑雪项目作为“冬奥会皇冠上的明珠”，追求技术、勇气、速度、身体素质的综合角逐。北京冬奥会开赛以来，有“雪飞燕”之称的国家高山滑雪中心，助力运动员取得了运动佳绩，也得到各界好评。

　　在高山滑雪男子滑降比赛中，挪威选手塞耶斯泰德创造了本场比赛最快时速，瞬间时速高达139.71公里。

　　如何助力运动员高速、安全滑行，又如何保证比赛的公平性，使前后出发的滑雪运动员的赛道雪质状态一致，这对赛道的建设要求颇高。

　　2020年起，中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所(以下简称南京天光所)和中国气象科学院的科研团队不断攻坚克难，自主研发粒径检测仪和冰雪强度检测仪，为冰状雪赛道“体检”，努力为运动员高速滑行、减少运动损伤提供技术保障。

　　“看着运动员不断创造好成绩，再辛苦也值得。”同一片赛场，实现同一个梦想，让南京天光所副研究员温海焜既自豪又欣慰。

　　值得关注的是，这些检测设备的关键技术，脱胎于我国在南极冰穹A地区的天文望远镜地基检测。在本届冬奥会上，这些技术率先得到验证。

　　温海焜(右)与团队科研人员在张家口云顶滑雪公园测量冰状雪赛道硬度。 温海焜供图

　　粒径检测仪和冰雪强度检测仪助力赛道达标

　　“高山滑雪比赛采用的是冰状雪赛道，这种赛道可谓雪道的‘高速公路’。”温海焜告诉科技日报记者，冰状雪不同于天然雪，雪的表面有一层薄的硬冰壳，可减小赛道表面对于滑雪板的摩擦力。冰状雪赛道分为竞技和竞速两种，竞技赛道要求高，雪密度一般在600-700千克/立方米左右，而竞速赛道一般约为550-600千克/立方米。

　　赛道铺设完成后，是否能满足比赛需要，就需要粒径检测仪和冰雪强度检测仪来“体检”了。

　　“粒径检测仪中的近红外激光经过粗糙的雪道表面时，会被无规律地向各个方向反射，造成激光强度减弱。激光减弱程度跟雪道表面的粗糙程度相关，而粗糙度是由冰状雪粒径决定的。”温海焜解释，粒径是冰状雪强度的表征，粒径越小，分子排列就越紧密，雪道的强度就越大，一般来说，毫米级的粒径比较理想。而通过激光的变化，就可以判断出冰状雪的粒径是否符合赛事要求。

　　冰雪强度检测则是反映赛道质量的另一个重要指标。“如果雪道硬度大，那么运动员不论第几个出场，雪道的状态都是相对完美的，保证了比赛的公平性;赛道又要有类似于塑胶跑道的特点，兼具有抓地力与弹性，确保运动员在滑行、跳跃时不受伤。”

　　温海焜介绍，冰雪强度检测仪会将探针打入冰状雪赛道内部，通过低温传感器读取探头受到的反作用力，就能得出赛道不同深度的的硬度。

　　一年多来，团队成员数次前往冬奥会举办地北京延庆、河北张家口以及黑龙江哈尔滨亚布力冬季体育训练基地，对冰状雪赛道进行测试，获得了不同深度冰雪粒径变化图和冰雪强度变化图，助力赛道达标。

　　关键技术发轫于南极望远镜地基检测

　　如果不是冬奥会，这套检测技术究竟能不能爆发“小宇宙”还是未解之谜。温海焜坦言，这些技术最初是为我国搭建南极冰穹A地区的望远镜地基准备的。

　　南极冰盖最高点冰穹A，是地球上最好的天文观测地点之一。我国在该地区已建有昆仑站，并安置了三台光学望远镜，取得了一批前沿观测和研究成果。

　　“未来，我国还将增设一台2.5米大视场高分辨率光学红外望远镜。为了获得好的观测效果，尽量减少气流的影响，所以望远镜要架设在15米高的塔架上，因此雪面地基要非常稳固。”2017年，温海焜和团队承担了国家自然科学基金“Dome A 地区望远镜基墩参数化设计方法的研究”。

　　摆在科研人员面前的一大难题是，虽然南极冰穹A的冰芯厚约4000米，但南极季节温差大，冬天温度最低可达约零下80℃，而夏天可达零下40℃左右。如果冰面浮动，架设天文望远镜的地基就会松动。

　　如何选择稳固的冰面就显得尤为重要，近年来，南京天光所南极团队不断就昆仑站地区的冰雪地基承载力进行测试和研究，项目于2020年结题。

　　但让温海焜没有想到的是，冬奥的到来，让冰雪粒径检测仪和冰雪强度检测仪的关键技术率先用在了冬奥会上，但因为使用环境不同，仪器研发之初并不顺利。

　　“一开始我们按照自然雪的状态研发设备，但测试时发现冰状雪赛道的雪密度高、更硬一些，仪器无法贯穿赛道测量。”温海焜和团队调整参数，最终实现对不同气候条件、不同注水强度的冰状雪赛道进行分别测试。

　　“在不同天气下制作冰状雪赛道，注水强度和时间都不同。如果注水强度大了，水流块、水温温度高，冰面上层就会变软;而如果注水时间长了，冰面又会变硬。”温海焜表示，通过检测和分析研究，团队给出了在不同气候条件下制作质量最佳的冰状雪赛道的具体方案，为赛事提供支撑。

　　“未来，我们也还将继续冰状雪赛道的研究，为中国冰雪健儿保驾护航。”温海焜说。