国外封锁人工造雪技术,中国花了五年时间成功突破冬奥会的难题

2022年冬奥会的顺利举办,让北京成为历史上首个双奥之城,这必将让北京再次受到世界瞩目。能荣获这一成就还要感谢我国人工造雪技术的发展,如果没有人工造雪,北京就无法举办冬奥会。

不过令人惊讶的是,在5年前,我国还无法造出合格的造雪机,这项技术一直遭到外国的封锁。小小的造雪机究竟有何神奇之处,能决定冬奥会在哪里举办?它的技术研发又存在哪些困难,令无数专家耗时多年才研制出来?

人工造雪为什么是必要的?

尽管自1924年第一届冬奥会开始,往后几十年时间里,大家一直在使用天然雪塑造的场地,但是这并不意味着天然雪总是那么靠谱的。在历史上,因为冬奥会主办地缺雪,造成比赛中断或成绩异常的现象不在少数。

比如1928年在瑞士圣莫里茨举办的第二届冬奥会就出现了状况,由于当年瑞士的降雪量普遍偏少,导致许多比赛项目在比赛日被直接取消了。甚至在50公里越野滑雪项目中,一些路段因为缺雪,泥泞的黄土露出了地表,使得这一次比赛的冠军使用时间过长,比上届冠军慢了整整一个多小时。

而2014年俄罗斯冬奥会也遇上了暖冬,好在俄罗斯人早在3年前就储存了50万立方米的自然雪,解决了当天缺雪的紧急状况。但是,我们要知道,储雪的成本是非常高的。要保证存放起来的雪不融化,就要在赛场附近修建冷库。而且每年都要消耗大量电力进行人工制冷,所以说,建造冷库不仅程序复杂、耗费时间,而且建造和维护的成本高、能耗高。

关键是费了这么多力气,依然不能满足所有赛事的需要。比如,一座5S级的滑雪场至少需要消耗1.8万立方米的雪,才能堆满一条一公里的初级滑雪道,如果要修建几十公里长的越野赛道,冷库的雪只是杯水车薪。何况比赛中对雪的消耗量也同样巨大。后来,俄罗斯调来了450台造雪机,花费了4000万元才解决问题。

而对于我国来说,无论是修建冷库还是租借外国的造雪机,代价都非常巨大。而如果我们拥有自己的造雪机,不仅能够减少大型赛事的费用,而且对于以后我国的冬季旅游和滑雪的发展都很有帮助。

造雪技术的难点在哪里?

鉴于北京下雪少、储雪难的现实情况,国际奥委会在2015年就提出,延庆和张家口赛区必须依赖人工造雪,北京和张家口冬奥场地,可能有60%的赛事都需要用到人造雪,甚至有的区域需要100%的人造雪。

造雪机的工作原理其实很简单,主要是把5℃以下的冷水和压缩空气混合装入零下25℃的蒸发器里结冰,然后用里面配备的切削机将冰块切碎,最后和空气一起喷出。这样用冰刀刮下来的,是5mm大小,厚度在1~1.5mm左右的片状冰。片状冰因为干燥能长期保持,所以在二三十年前被广泛使用。

但是后来,随着人们对比赛公平的看重,大家慢慢发现,由于它的颗粒大,塑造的雪道很像石子路,经常导致一些职业滑雪者们在旋转时摔倒。所以,造雪机必须要让这种冰雪变小,但也不能和天然雪花一样过于细小松软,那样容易导致运动员陷入雪中受伤。只有这样,才能保证赛道既有一定强度,又有足够的弹性,以免先出发的运动员对雪道造成破坏,影响后面的运动员。

可是,要让人造雪的颗粒大小适中,并不简单,这一度成了造雪机改造升级的重点和难点。然而我国的滑雪运动并不兴盛,很少举办较大的冬季比赛,所以这方面的经验和技术非常欠缺。在2015年以前,别说提升造雪机的技术了,我们连一条像样的国际专业雪道都没办法造出来。

为此,中科院于2017年组建了一支科研团队,在秦大河和王飞腾等院士的带领下,开始全力突破这一技术。但是,由于造雪机的运行对于环境要求较高,比如:气温达到零下5度到零下15度,湿度不超过80%,以及有微风等条件,所以大部分科研活动都必须在野外进行。

于是,科研人员们二话没说,进入了气温只有零下20℃的云顶滑雪公园,在一些高山滑雪中心进行野外作业研究。他们不仅每天奋斗在一线岗位上,而且一工作就非常投入,每天几乎都要工作11个小时,等到天完全黑了才回去休息,第二天一大早又匆忙地赶到野外工作。

直到2021年,这项研究工作超额完成了。为了克服不同温度湿度、海拔和风力条件下,造雪机产雪不均匀的问题,科学家们生产出了不同类型的造雪机,完全能够满足北京冬奥会的各种需求。这不仅是冬奥会能够顺利举办的保障,同时也是我国冬奥会备受外国运动员认可和称赞的基础工程。

5年成果聚焦冬奥会

经过科学家5年来的不懈努力,我国总算突破了造雪技术的封锁,他们曾经经历过的风霜雨雪都汇成了冬奥会上先进的造雪机。据统计,在国家高山滑雪中心的赛道上,已有170台造雪机和30台雪枪开始工作了。

别看数量不多,但是这些造雪机的功能却非常强大。它们并非传统的碎冰型造雪机,而是雪炮式造雪机,它能够利用高压空气将水流打碎成细密的雾状颗粒喷出,这些水雾遇到寒冷的外部空气,就会在落地之前快速凝固成为冰晶,变成人们所熟知的雪花。这样的人造雪比片状雪的颗粒小了很多,塑造出来的赛道洁白光滑,非常美观。

同时,为了适应长达半个月时间的气候变化,造雪机还可以造出9种不同类型的雪花。这些雪的颗粒大小从10 mm到0.3mm不等,而利用0.3mm的雪就可以铺成与自然雪很接近的雪道了。

有了好的人造雪材料,工作人员在雪道铺设时也同样考究。自然雪铺成的雪地密度在0.05克/立方厘米~0.15克/立方厘米,而人造雪道的密度要求是它的5~13倍。一般大众使用的雪场密度约为0.4~0.5克/立方厘米,而冬奥会的专业赛道要求则更高,其密度需要达到0.65克/立方厘米。所以,一条合格的冰状雪雪道,必须经历反复的铺雪、压实、注水结冰等步骤。

据造雪专家魏庆华介绍,冬季的造雪工作总体持续了6周时间,目前所有赛道的基础造雪工作已经全部完成。造雪面积约为125,000平方米,成雪105,000立方米。

同时,现在使用的人造雪中还可以掺入某些化学成分,提高人造雪的融点,让造出的雪在接近20℃的高温下仍能保存一段时间。这减小了雪道的摩擦力,能够帮助滑雪运动员们做出旋转等花样动作,在无所顾虑的情况下大展身手。集这么多优点于一身,难怪人造雪被冬奥会所偏爱。

自北京冬奥会举办以来,无论是比赛感受,还是生活感受,各个国家的运动员们无不交口称赞,这背后是无数科学家和工作人员的辛勤付出。感谢所有为我国冬奥会辛勤付出的人们,同时也祝愿奥运健儿们能够取得满意的成绩!

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