北京冬奥会上的“驭风之术”航天风洞技术撰文

撰文 / 周岫彬（中国航天科技国际交流中心）
本文来自《知识就是力量》杂志
在东京奥运会上，中国游泳、赛艇军团取得了优异成绩。其中，航天风洞技术功不可没。一时间， “航天科技助力，健儿如虎添翼”成为人们热议的话题。北京冬奥会、冬残奥会即将举办，很多冰雪竞赛项目受空气影响显著，航天科技能否再次助力中国冬奥健儿取得佳绩，备受国人期待。

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在风洞实验室内，随着风洞中风力越来越大，测试者压低了姿态，头顶上为了显示风速而安置的标志物——彩色线束随着强风飘舞起来

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重新认识“来无影去无踪”的风
在介绍航天风洞技术之前，我们要先来认识一下风阻。在很多运动竞赛项目中，运动员都要与风的阻力即风阻作斗争，如短跑、自行车、速度滑冰、高山滑雪等，均需要克服风阻，提升速度。
风是流动的空气，空气阻力一般有两种形式：一是压差阻力，压差阻力又可分为形状阻力、干扰阻力和诱导阻力。一般来说，物体高速运动时，形状阻力是最主要的空气阻力来源。这也是神舟号系列飞船从太空高速返回地面时，要通过气动外形（在气体介质中运动的物体为减少运动阻力，而采用的适合在该介质中运动的外形）减速的原因。
二是摩擦阻力，即空气划过物体会产生摩擦力。通过优化物体材料及表面粗糙度可有效减小摩擦阻力。
物体与空气相对运动速度越高、迎风面面积越大、空气密度越大，风阻越大。衡量风阻大小的空气动力学参数称为风阻系数。风阻系数减小10% ，某些运动员的成绩能提升1%或更多，这对实力接近的运动员来说可是数量级的提升。

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风洞：让冬奥健儿更好地“飞翔”
传统的运动员训练要在真实环境中进行，耗费时间长、体验动作时间短，不易得到教练员实时互动指导和纠正姿势与动作，且容易出现运动损伤。以跳台滑雪为例，运动员完成一趟训练流程需十多分钟，如遇恶劣天气，则要在寒冷的高台上长时间等待或取消训练。即便是正常天气，一天也只能跳十几次，每次飞行时间不足10秒，训练效率不高。

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滑雪运动员在风洞中试验的场景（供图/ 周岫彬）
在这种情况下，风洞就可以大展拳脚了！根据运动相对性原理，可用风洞里的风速模拟运动速度，模拟出赛场、赛时风场环境，让运动员在逼近真实的风场里训练。通过数字建模，量化运动员的动作形态，确定最佳动力学姿势，还可测试运动服装、设备器材的风阻特性，改进装备设计。
风洞实验室能调节风速、风向、风面、温度、湿度等参数，模拟变化的风场特性，测量风场作用于运动员不同身体姿态的阻力、升力、侧向力。教练员还可进行“零距离”指导，利用精准定位对问题“抠细节” ，让运动员全天候、反复练习并优化姿态与动作，提高科学训练水平。
如今，中国已经建成的体育综合训练风洞，是一座开口回流式（带驻室）风洞，最大风速可达到42米/秒，相当于14级强台风的水平，涵盖了冰雪运动所涉及的风速范围，可满足滑雪、滑冰、雪橇等大部分冰雪项目的模拟需求。