中青报·中青网记者 邱晨辉
冰蓝色的水墨从天而降，凝结成冰，近3层楼高的冰立方拔地而起。绚丽的激光打在冰立方上，冰球运动员与影像冰球击打互动，在音乐烘托下冰立方渐渐碎裂，“雕刻”出晶莹剔透的五环，五环于碎冰中徐徐升起，宛如夜空中璀璨的恒星。
这是北京2022年冬奥会开幕式上让人惊艳的一幕——奥运五环“破冰而出”。奥运五环标志的展示，是奥运会开幕式重要的一个环节。
奥运五环“破冰”前的示意图。中国航天科技集团一院供图
五环惊艳亮相背后，是艺术与科技的完美融合：开幕式上升起的奥运五环长达19米、高8.75米，重达3吨，厚度却仅有35厘米，如此反差被技术人员称为“薄如纸”。五环依靠鸟巢上空的威亚系统，稳稳升起悬挂半空，最后又缓缓沉入舞台之下，下落时摆动幅度不超过7.5厘米，升降精度控制在毫米级。
航天冬奥专项工程地面舞台项目总设计师、中国航天科技集团一院15所冬奥项目总师何冠杰说，“说得夸张一点，这个操作的难度就像用两条线把一张白纸，全程平稳地提起来、放下去。”
400吨冰立方如何升上地面
北京冬奥会开幕式没有采用 “人海战术”，而是融入更多科技元素，因此，舞台上的技术装置设计就显得尤为重要。
要揭秘奥运五环“破冰而出”过程，就不得不提藏于地下的主舞台机械结构。在那里，数十套电机与刚性链条、滑轮带动着大型升降台等活动设备，实现舞台的平移、升降、翻转。
主舞台机械结构实景。中国航天科技集团一院供图
何冠杰介绍，地面舞台系统是北京冬奥会开闭幕式的核心设备之一，整个舞台是一个无缝衔接的LED显示屏，面积超过1万平方米。开幕式LED舞台面积创世界之最，防水、防雪、防冻等特性的加持，让难度系数成倍放大，工程量是北京2008年奥运会LED舞台的10倍。
“巨大的舞台之下，是重约5000吨、近6层楼高钢结构焊成的钢铁骨骼，它在观众看不到的地下耸立支撑。”地面舞台保障负责人赵劲彪说：“如此规模的钢结构舞台要足够稳定，需要一组横梁像手臂一样在侧面‘扶’住，但鸟巢建筑结构特殊，不允许搭建横梁。”
“我们就向地下扎根。”舞台施工负责人赵翔带队计划施工进度、逐平方米测量标高、逐块屏幕测试稳定性。钢结构表面五六十摄氏度，他们一焊就是几个小时，抵着钢结构的臂膀烫出水泡也浑然不觉，硬是将这座世界最大的舞台精度误差控制在毫米级。
晶莹剔透的冰立方缓缓升起，梦幻般的光泽美得让人窒息。冰立方升降装置保障负责人肖亮，没有陶醉在这片浪漫里，他保持着设计施工中惯有的冷静，目光像能透视一般，细细考量内部结构运行轨迹。
为了实现“冰山”效果，肖亮带队历时数月设计迭代，第一轮实物试验结果出来后，连亲自参与施工的外协人员都不敢相信自己的眼睛，耗电315千瓦每小时的电机，拖着400吨的冰立方，走完10米行程，实际传动效率与理论计算值仅相差0.01。
奥运五环像火箭一样既坚韧又抗风
据中国航天科技集团一院所属北京长征天民高科技有限公司技术总监申纪刚介绍，北京冬奥会开幕式上展示的奥运五环，其结构特点是大跨距、低刚度，它的设计和火箭研制异曲同工，对重量和精度要求都非常苛刻。
“我们参照了航天结构设计的一些方法，为五环研制了骨骼——铝合金桁架结构，衣服——LED显示屏，外套——扩散板，让五环也跟火箭的箭体一样，既坚又轻。”申纪刚说。
奥运五环和冰立方示意图。中国航天科技集团一院供图
项目经理王铂说，五环要在整个地面系统的最大升降装置——冰立方中升起，每一个过程都要配合得严丝合缝。研制团队在场地受限等情况下，通过精确控制315千瓦电机，驱动16条链条、16条钢丝绳组成的4套同步传动单元，让升降精度控制在毫米级。
我国新一代运载火箭都具备很强的抗风能力，设计人员将这种能力也赋予了五环，使悬吊高度为13米的奥运标志，在仪式中即便遇到6级强风，也定力十足。
技术总体人员赵劲彪介绍，五环重量约为3吨，厚度仅35厘米，骨骼为铝合金，既坚韧又轻巧，“如此超薄的大尺寸装置在高空迅速地升降，在强风面前如同一张纸，很容易发生起竖和侧翻等现象。”
据技术人员介绍，考虑到威亚系统的承重能力，五环要不断“减重”以降低负荷，但更换轻便材料后，其抗风性能又会下降，新材料还必须具备足够的强度，保证悬挂中不会变形。
此外，为了实现最美的视觉效果，导演要求只能使用两个吊点。
“让五环安全地吊起来，核心是调控好产品形状，其次是确定吊点。”赵劲彪告诉记者，项目团队通过大量计算和试验，精准确定吊点，实现了高空威亚平稳吊起五环并升到预定高度，与五星红旗交相辉映的演出效果。
五环设计也有“备件”，可靠性堪比火箭设计
经过反复迭代，“冰雪五环”的图纸终于定稿：内部是360度无死角的LED显示屏，可以实现任意画面的显示，为导演团队留出最大的创作空间；最外层的扩散板，为显示屏做了“美颜”，保证视觉效果清晰而柔和。
航天系统工程研制中，可靠性设计也是重中之重，航天人也常常提到“冗余”，它意味着有备份、更可靠。
申纪刚告诉记者，奥运五环设计中，也有“备件”。
“五环采用了大量LED屏幕，如果某一个单元的灯珠临时‘生病’怎么办？我们采用了双屏冗余的异形拼接LED可编程显示装置，一套有问题另一套屏幕马上能顶上。当一个系统出现故障的时候，备份系统可以无延时切换。”申纪刚说。
他告诉记者，为确保五环展示环节的成功，火箭院冬奥团队按航天系统工程方法，对标航天质量控制、风险控制、设计优化等要求，进行了上千次的虚拟仿真试验，最终呈现了不一样的五环，不一样的航天技术。
申纪刚说，正是航天科技为艺术提供了更多的表现手段和实现的可能性，艺术又将灵感和生命力还与航天，二者彼此给予又相互融合。
奥运五环“破冰而出”示意图。中国航天科技集团一院供图
赵劲彪说，“面积巨大、结构超薄的五环，吊点稍有偏差就会弯曲变形，轻微的碰撞也易导致表面灯珠受损。”
一道道难题像一堵堵墙，但赵劲彪和团队成员坚信，墙推倒了就是桥，他们将冗余措施精确到最小颗粒度，任何一个灯珠熄灭都有备份零秒切换；整个五环有任何闪失，藏于地下的备份五环都能准时升起。
如今使命完成，赵劲彪很想拍拍备份五环，说一句：兄弟，咱的使命完成了，台前幕后一样光荣。
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