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浪漫开幕,一起看航天送给冬奥的“大礼包”

来源:中国航天报 作者:赵聪 刘岩 责任编辑:李佳琦
2022-02-07 14:30:44

聚光灯下,旗帜升起,五环亮相,火炬点燃。2022年2月4日,带着中国人独特浪漫气质的冬奥会开幕式上,北京再度惊艳世界。这是鸟巢历史性的一夜,也是中国航天送给北京冬奥的独特礼物。

作为冬奥会开幕式的重要保障单位,航天科技集团共承担了地面舞台(含旗杆设备)、威亚、火炬、冰立方(含五环)、指挥监控、通信系统、地面显示系统、冰瀑、指挥中心、央视视频播放及VR、视频渲染机房等11个大项目,平稳流畅、一气呵成地实现了张艺谋导演“我负责精彩,航天负责成功”的吉言。

冰雪五环 梦幻呈现

冰立方,如其名,冰一般晶莹剔透的硕大立方体。它的长宽高分别是22米、7米和10米,重量达400吨,升降重量达180吨,升降载荷超过一般剧院大型升降台的8倍,是整个开闭幕式功率最大的驱动设备。

开幕式上,人们看到,在舞台中央偏东侧位置,冰立方缓缓地升了起来。升起来之前,它“藏”在一个巨大的地仓里,地仓长度是84米,宽42米,深度是10米。

对于冰立方系统,技术上的难点是在有限空间内实现平衡自重,完成10米的升降。为此,航天科技集团一院15所采用了多级的折叠结构,升降的最大速度可达每秒0.28米,完成整个升起过程,最短耗时43秒,运行误差只有正负1毫米。

冰立方升起来后,奥运五环慢慢呈现。

五环吊装是难点。五环有严格的重量限制,因此,它虽然体量很大,但厚度其实很薄。“这种结构决定了五环天生刚度不足,这是设计本身带来的困难。”15所冰立方项目技术负责人赵劲彪说。好比一张纸,因为很薄,重心就会偏离中心,这带来了不小的吊装难度。为此,一院15所团队做了多次仿真和现场试验,最终完成了五环的完美亮相。

航天科技 梦想之火

在冬奥会开幕式中,除精彩的节目之外,最受关注的当属如何点燃主火炬。

由航天科技集团六院11所(京)和101所研制的主火炬燃烧系统,点亮了鸟巢上空,与北京这一个不平凡的夜晚相互交融、相映成趣。

燃烧系统是主火炬的核心组成部分,难点颇多。据团队成员王亚飞介绍,最后一棒手持火炬(主火炬)要实现与“雪花”的无缝连接;在采取氢气燃料的同时,要控制火焰颜色鲜亮可视;燃烧火焰既要呈现“飞扬”飘逸的微火造型,又要抗风抗雨;主火炬在冬奥会期间,将持续处于燃烧状态,要保证氢气的不间断供应,实现电、控制信号的连续、稳定、可靠供应与传输;主火炬的熄灭过程也要满足创意的特殊需求等等。

针对这一系列难题,团队发挥航天工程研发管理经验,从局部关键技术开始,逐步推进到分系统的研发,并经过必要测试环节后定型,对关键环节也进行了冗余设计。

例如,针对火焰颜色可视化需求,团队采用“焰色反应”机理,在氢气火焰区中以特殊方式植入微量显色剂配方,利用碱金属中的原子受热发生能量跃迁的原理,以安全、环保的方式实现氢气火焰的可视性;采用线性多点式耦合燃气分配技术,实现火焰“飞扬”飘逸的造型;在“雪花”异形屏方面,采用彩色LED直显屏方案,使每个发光点颜色、亮度独立可控,出光面根据舞美造型随型设计兼顾美观镂空,实现灯光图案的多彩变化……

最终,主火炬在外观优美灵动的基础上,实现了手感舒适度、功能完整性的平衡。

此外,航天科技集团五院508所利用航天器回收着陆试验场构建模拟主火炬的试验环境,为确保点火仪式的各个环节可靠、顺畅作出了重要贡献。

航天实力 筑梦舞台

开幕式上,鸟巢中央巨大的舞台和巨幅地屏让人震撼。其中,舞台系统由一院15所负责,地屏由一院12所负责建设。

整个地面舞台系统施工面积约21000平方米,舞台中央是一个巨大的升降台。在整个开幕式中,雪花台、火炬等众多创意表演均在这个中央升降台完成。除了中央升降台,鸟巢中还呈现出一个两万多平方米的大舞台。

“航天技术转化到民用领域,在这个项目上得到了很好的体现。”15所项目指挥曹岭说。该团队充分运用了航天质量体系的精华。“全级次管理、故障预案分析、风险分析和管控,这些理念都应用到了冬奥项目上。”曹岭说。

如果地面显示屏面积可以申请吉尼斯纪录,由12所抓总建设,在北京冬奥会开幕式上亮相的这一块,当之无愧问鼎世界之最。4万多块屏幕组成10522多平米硕大无比的地面显示屏,借助它,奇幻绚烂的冰雪世界在鸟巢绽放。

航天管理中的冗余理念被应用到这里。据介绍,每块小屏幕其实由AB两块屏幕构成,灯珠、供电、信号等等都是AB两路,这就是航天工程中常提到的“双冗余”——假设一路出问题,另一路立即顶上,保证演出正常举行。此外,地面屏幕的强度要求很高。每天上千个人、上万吨重量的“光顾”,让它万分紧张——力气要够大,不然怎么扛过施工和彩排的重担;还得足够安全,摩擦力指数要正好,不能太过光滑,这样人才不会滑倒。

开幕式演出这天,全世界的双眼被这块屏幕的炫丽缤纷吸引,显示屏背后,人眼无法捕捉到的地方,数万条信号在复杂的线路中飞快地传输。它们频繁接受导演组发出的指令,解码出各种需要表达的“动作”,最后呈现出异彩纷呈的画面。控制这些信号的,是一套强大的播控系统。

“控制”是12所大道公司的强项。播控系统依托的是公司的工业互联网平台——长征云平台。通过这项技术,数万个屏幕被串起来,温度、湿度、电压,它们的工作状态被时刻监控,一旦出现异常,就会立即报警。如果是信号链路出了问题,不怕,一共四路信号,有足够的容错率。

舞台的两侧,高耸的旗杆上旗帜飘扬。这些旗杆的设计工作也由航天人完成。相较于2008年北京夏季奥运会的旗杆,此次冬奥会的旗杆增加了旋转功能,可以更好地适应鸟巢风向的变化,让旗子在任何时刻都可以迎风招展。

凌空雪上舞 浪漫航天造

在本次冬奥会开幕式中,充满梦幻的主火炬、五环悬空而起,得益于威亚的配合。

工业缔造的浪漫来自分毫不差的总体设计。

接到威亚项目以来,考虑到威亚系统与航天传统工作的巨大差异,一院抽调火箭工程师参与其中,用航天系统工程的思路设计冬奥会开幕式威亚系统,确保不出现往届冬奥会的遗憾。冗余、质量管理、高可靠性等等,能借鉴的全都借鉴,最终呈现了一场完美的演出。

2021年1月,威亚项目团队就进驻鸟巢。他们要做的第一件事,是拆除2008奥运会留下的威亚。

接着,他们就开始与冬奥会导演方进行沟通。2021年6月,开幕式整体创意方案敲定,威亚的设计、生产、安装正式开始。距地面50多米高的威亚装置在鸟巢成型,它能吊装6吨多的设备,比2008年只能吊装几百公斤可是大了不少。

然后就是一遍又一遍的开幕式彩排。与其他系统一样,导演在彩排中突发新创意,团队就密切配合,及时调整威亚的吊装系统……直到开幕式正式开始前,威亚吊装系统仍旧在迭代。

“我负责精彩,航天负责成功。”冬奥会开幕式总导演张艺谋经常对大家这么说。尤其是本次开幕式,追求利用技术手段实现冬奥会的浪漫,这给该团队增加了不小的压力,他们只能一边摸索、一边设计。

航天通信网 助好戏开场

即便受天气和疫情影响,冬奥会开幕式演职人员大幅压缩,但仍旧高达3000余人。如何在有限时间内快速发出指令,让整个开幕仪式浑然天成,确实是个挑战。

图中箭头所指为FM接收器

为保证整个开幕式有条不紊进行,一院12所大道公司冬奥会开幕式通信系统保障团队根据实际需求,开发出三类子系统,分别是有线内通系统、无线通信系统和无线FM广播系统。

有线内通系统是整个通信系统的核心,通信质量最高,相当于“神经中枢”。其中,由48块控制面板组成的主系统是重中之重,主要供指挥层使用,分布在开幕式现场各个功能区。“控制面板上有多个按键,每个按键都可以接通一个团队。比如总导演的控制面板可以接通各个分场导演和技术保障人员,想呼谁都能呼到。”大道公司冬奥会开幕式通信系统保障团队成员何枫说。

有线腰包是对主系统的补充,提供给执行层。它只有两个通道,一个通向所属领导,另一个通向下属的团队。上传下达,具有“扁平化管理”高效率的特点。

无线通信系统也分为两类,一类是无线腰包,能够实现双方同时对话,交流效率和通话质量很高。另一类则是我们常见的无线对讲机,属于半通模式,大家不能同时交流,适用于指挥层对全场的把控。

开幕式上,数不清的演员跟着音乐翩翩起舞,效果异彩纷呈,令人陶醉。当镜头切到演员特写时,可以看到他们耳朵上戴着一个类似耳机的装置,这个就是第三个子系统——无线FM广播系统。

无线FM广播系统类似收音机,每个演员都随身携带一台。与我们听到的背景乐不同的是,里面播放的是节奏乐和编导的声音。依靠该系统的帮助,演员们进场、表演、出场节奏有序,行云流水,一气呵成。

这三个子系统完全相通。比如,控制面板可以直接联通无线FM系统或某台无线对讲机,在应急处理时能“一针见效”。

通信系统终端由48块面板、52个有线腰包、36个无线腰包、700个无线对讲机、7000个FM接收器组成。终端如何使用需要统一培训,其管理、防疫等工作量也极大。

“司令”场中坐 稳稳控全局

如果说,通信系统是冬奥会开幕式上各种指令上传下达的“通信兵”,那指挥监控系统就是“司令员”。

冬奥会开幕式的指挥监控系统基于大道公司的“长征云”工业互联网平台研发,能够给各分场导演、舞台总监、技术保障人员等提供指令信息。

“100多分钟的开幕式,充满细节,每一步要做什么,不可能全靠人脑来记忆,所以需要指挥监控系统的辅助。”何枫一岗双责,同时还承担该系统建设。他表示,该系统服务42个岗位,每个岗位分工不同,拥有不一样的指令信息,大家都是先看信息后下指令。

举例来说,在开幕式某环节开始之前的30秒,该系统就会倒计时准备,告诉不同岗位人员下一步操作细则,类似火箭发射前的程序。“该系统的辅助下,舞台总监和分场导演可以精准的发出指令,系统同时向接收指令的岗位提供流程信息和操作细则,最终是否执行指令,还是要听导演通过通信系统的现场指挥调度,以应对突发情况。”何枫介绍。

为更好把控开幕式上各类硬件设备状态,该团队在鸟巢新安装了130余个摄像头,“盯着”类似升降舞台内部等多个“视觉死角”。监控视频信息可以根据各岗位在不同活动环节的监控需求自动按流程推送到各岗位面前。如果出现问题,该系统会通知各岗位,应急预案将第一时间启动。

该系统建设的难点在于,指令信息并非一成不变。随着彩排的进行,遇到的问题、总结的经验等等,都需要同步在系统上修改。何枫坦言,一场开幕式需要几百条指令做支撑,每天都会更改几个版本,工作量巨大。

为确保指令不出现问题,团队采取了人工现场记录和软件记录双措并举的方式,并随时与导演团队沟通协调,保证了系统指令的及时有效,最终为整场开幕式平稳运行立下汗马功劳。

同2008年北京夏季奥运会开幕式一样,北京冬奥会开幕式再次震惊了世人——科技创新、低碳环保和运动健康的理念贯穿始终,自然之美、人文之美和运动之美在鸟巢绽放。精彩绝伦的开幕式,同样是中国航天科技集团展示实力的舞台。

图片来源:央视新闻 中国航天报记者 宿东 张晓宁