北京冬奧會人造雪里的科技范兒

2022年北京冬奧會正在如火如荼地進行中，在冬奧會的七大項目中，滑雪項目將產生55枚金牌，占北京冬奧會總金牌數的一半。運動員們從白雪皚皚的雪道滑下，或蜿蜒穿行，或起跳旋轉在空中完成各種高難度動作，這樣的場景讓觀眾們看得熱血沸騰。

雪上項目對氣候和場地的要求十分嚴格，為了保證雪上項目的順利進行，本屆冬奧會80%～90%的比賽場地用雪都采用人造雪，通過我們的“自力更生”實現了冬奧會的用雪自由。

“其實，目前全世界大多數滑雪場，都采用天然雪和人造雪相結合的方式。”北京理工大學副教授張海洋在接受科技日報記者采訪時介紹。

據了解，在溫哥華、索契以及平昌等地舉行的冬奧會都大量采用了人造雪。特別是在2018年平昌冬奧會中，人造雪用量占到了總使用雪量的90%。

為什么冬奧比賽會用到如此之多的人造雪呢？

張海洋指出，自然條件下產生的新降雪、融化后重新凝結的雪、長期堆積的雪等物理特性各不相同，而這會影響其性狀。國際滑雪聯合會（以下簡稱國際雪聯）對不同項目的競賽雪道都設定了相應的技術指標，以保證比賽的公平性和安全性，雪的性狀穩定對雪道而言十分重要。

相比物理特性更為多變的天然雪，人工造雪可控性更高。人造雪經過擠壓、平整、注水后，更容易被制成可供比賽的雪道。

張海洋舉例說，比如崇禮萬龍滑雪場的U型槽場地，根據冬奧會比賽要求，其雪槽的長度要達到150至170米，寬度要達到19至22米，深度則要到6.7米、坡度要達到17至18度。要想塑造出這樣一個場地，不僅需要大量的雪，而且為了精準的坡度，還要控制好雪的濕度。“場地工作人員會檢測雪的含水量，只有將含水量控制在合適的范圍內，才可保證在一定的溫度下，U型槽場地能一直保持這個形狀、不產生形變。”張海洋說。

此外，冬奧會在短時間內的耗雪量較大，光靠老天爺“賞飯吃”顯然不靠譜。

在1980年舉行的美國普萊西德湖冬奧會上，人造雪第一次出現在了冬奧會場地，就是因為這年冬季，普萊西德湖雪量少的緣故。

國際雪聯文件《2022年冬奧會自由式滑雪和單板滑雪場地設計要求》指出，滑雪障礙追逐賽道需保證約71500立方米的雪量，當這一數字加上融化系數后，將達到107200立方米。即使是面積較小的大跳臺賽道，也需維持至少11000立方米雪量。

張海洋說，這么大的用雪量，單靠運輸，成本實在太高。若靠自然下雪，需要連續不間斷地下幾十天的大雪。而且滑雪場地每天都需要塑型維護，也需要大量的儲備雪，因此一定要人造雪來幫忙。

“造這么多的人造雪需要大量時間，因此本屆冬奧會為了保障賽事用雪，很多冬奧滑雪場從2021年11月底就開始進行人工造雪，造雪時間持續到2022年1月。”張海洋說，人工造雪的重要工具就是造雪機，它可以模仿天然降雪的過程，將水變成雪，但和天然成雪過程有所區別。

張海洋介紹，天然狀態下，天上的水汽變成雪必須具備兩個條件：一是要有一定的水汽飽和度（即0攝氏度以下的冷云），二是必須有凝結核。當冷云中的小水滴遇到空氣中的塵埃顆粒，此時便會形成冰晶;冰晶逐漸增大，當其重量達到一定程度就能克服空氣的浮力，從天空中飄落下來，變成雪花。

人工造雪則是通過造雪機把5攝氏度以下的水霧打散成小粒子，再將這些粒子迅速冷凝結晶，然后再由風筒把雪花噴射出去，以擴大造雪面積。

“水是人工造雪必不可少的原料。”張海洋說，原則上來說，井水、河水、純凈水、再生水、雨水、融雪水都可以作為人造雪用水，但這些水在變為造雪原料前，必須調整好“體溫”，即要把溫度控制在0至5攝氏度之間，水溫太高無法造雪、水溫太低不易造雪。同時，水也不能太臟，雖然造雪機有過濾裝置，但如果水太臟，不僅會堵塞濾網，還可能會堵塞噴嘴。

本屆冬奧會的每個滑雪場，都設有固定式造雪機和移動式造雪機。固定造雪機只需一條抽水管，就可以進行大規模造雪。“但對于塑型要求比較高、需要補雪的比賽場地，就要‘派出’移動式造雪機了。”張海洋表示。

“各個雪上項目對雪質的要求有所不同，哪怕是同一塊場地的不同地段，對雪質的要求也不盡相同。”張海洋舉例說，比如高山滑雪比賽項目，由于其是競速類項目，它的賽道需要進行單獨壓制，鋪設在賽道上的雪密度非常大，這種雪被稱為“冰狀雪”。“冰狀雪”的密度是天然雪的5到13倍，其表面有一層薄的硬冰殼，是雪又似冰。

“這類雪含水量較高、密度大，其表層相當于結了一層冰，這樣可減少賽道和滑雪板之間的摩擦力，提升運動員比賽的舒適度，有利于提高運動員的成績。”張海洋說，而到了減速區和結束區，為了保護運動員不受傷，就需要減速。因此這一區域的雪就需要減少含水量，以保持雪的蓬松狀態，從而增加賽道與滑雪板之間的摩擦力。

從離地超百米的高臺滑下，俯沖、加速，自跳臺末端躍向空中，呈“V”字形劃出優美的拋物線……在本屆冬奧會的賽場上，極具觀賞性的跳臺滑雪項目在張家口賽區國家跳臺滑雪中心精彩上演。“比賽好看，但給供跳臺滑雪比賽用的坡道造雪，可是件不容易的事。”張海洋說，鋪設在坡道上的人造雪，從下到上依次是基層、中層、表層，每層雪的密度都不一樣。基層的雪質濕度要大，這樣可以讓雪層與坡道牢固地“凍”在一起。考慮到運動員要在高空做一些動作，落地時雪道不能太硬，因此表層雪的濕度要低，這樣平壓后仍可以保證一定的疏松度，最大程度確保運動員的滑行安全。

在本屆冬奧會，當一天比賽結束后，夜間工作人員都要對滑雪道進行維護。“因為每場比賽后，雪道的硬度就會降低，同時雪道表面會變得溝溝坎坎，這些都會影響第二天的比賽。”張海洋介紹，對雪道的維護一方面要補充雪，另一方面是用壓雪車壓雪，以達到比賽雪道的硬度標準。

1950年3月，美國人韋恩·皮爾斯就利用一個油漆噴霧壓縮機、噴嘴和一些用來給花木澆水的軟管造出了世界上第一臺造雪機。

其后，人造雪技術不斷發展，這讓冬奧會大規模使用人造雪成為可能。然而，由于我國在人造雪方面的研究起步較晚，國內賽道雪務技術幾乎空白，同時國外在這方面對中國進行技術封鎖，使得中國無法拿到賽道用雪的參數標準。在2016年以前，中國甚至造不出一條合格的“冰狀雪”賽道。

為了給全世界運動員提供良好的賽事體驗，我國科學家開展了集中攻堅行動。2017年，在中國科學院院士、中國科學院冰凍圈科學國家重點實驗室名譽主任秦大河的帶領下，北京冬奧會賽事用雪保障關鍵技術研究團隊正式組建，誓要制造出中國人自己的“冰狀雪”。

經過大量觀測和試驗，該團隊獲得了北京延慶、張家口賽區制造“冰狀雪”的屬地參數，從機理上搞清了優質雪道的雪質要求，成功制造出適應大陸性季風氣候特點的合格“冰狀雪”。

最終，不同氣候條件的“冰狀雪”賽道制作技術被攻克，中國人靠自己打造出了“冰狀雪”賽道。此外，中國從造雪到除雪的技術全部達到國際賽事標準，實現了用雪自由;冰雪硬度測量儀和冰雪粒徑測量儀等“冰狀雪”賽道專業監測設備也實現了國產化，大幅壓縮了辦賽成本。

工欲善其事必先利其器。壓雪車是比賽雪道建設與維護必備的大型裝備，隨著我國自主研發生產的首臺大型壓雪車——SG400壓雪車下線，我國在大功率高端壓雪車產品領域實現了從0到1的突破。

為了應對極寒天氣，SG400壓雪車設計的工作環境為零下40攝氏度，設計中使用了大量耐低溫材料，改良后的雪犁，其齒形更容易打碎板結雪層，符合我國雪場的實際使用需要。

同時，在滿足主結構強度要求的前提下，研發人員對該壓雪車的車架及核心部件進行了輕量化設計，車架重量僅相當于一般工程車輛車架重量的1/3到1/5，使其特別適合在雪道極端松軟的工作條件下運行。配合絞盤系統，該壓雪車可攀爬坡度為45度的高山雪場。

此外，該壓雪車的智能化控制系統可讓全車多個控制器有條不紊地處理來自傳感器、動作控制手柄、電子踏板的反饋信號，使其擁有了靈敏的“神經系統”。