冰藍色的水墨從天而降，凝結成冰，近3層樓高的冰立方拔地而起。絢麗的激光打在冰立方上，冰球運動員與影像冰球擊打互動，在音樂烘托下冰立方漸漸碎裂，“雕刻”出晶瑩剔透的五環，五環于碎冰中徐徐升起，宛如夜空中璀璨的恒星。

這是北京2022年冬奧會開幕式上讓人驚艷的一幕——奧運五環“破冰而出”。奧運五環標志的展示，是奧運會開幕式重要的一個環節。

奧運五環“破冰”前的示意圖。中國航天科技集團一院供圖

五環驚艷亮相背后，是藝術與科技的完美融合：開幕式上升起的奧運五環長達19米、高8.75米，重達3噸，厚度卻僅有35厘米，如此反差被技術人員稱為“薄如紙”。五環依靠鳥巢上空的威亞系統，穩穩升起懸掛半空，最后又緩緩沉入舞臺之下，下落時擺動幅度不超過7.5厘米，升降精度控制在毫米級。

航天冬奧專項工程地面舞臺項目總設計師、中國航天科技集團一院15所冬奧項目總師何冠杰說，“說得夸張一點，這個操作的難度就像用兩條線把一張白紙，全程平穩地提起來、放下去。”

400噸冰立方如何升上地面

北京冬奧會開幕式沒有采用 “人海戰術”，而是融入更多科技元素，因此，舞臺上的技術裝置設計就顯得尤為重要。

要揭秘奧運五環“破冰而出”過程，就不得不提藏于地下的主舞臺機械結構。在那里，數十套電機與剛性鏈條、滑輪帶動著大型升降臺等活動設備，實現舞臺的平移、升降、翻轉。

主舞臺機械結構實景。中國航天科技集團一院供圖

何冠杰介紹，地面舞臺系統是北京冬奧會開閉幕式的核心設備之一，整個舞臺是一個無縫銜接的LED顯示屏，面積超過1萬平方米。開幕式LED舞臺面積創世界之最，防水、防雪、防凍等特性的加持，讓難度系數成倍放大，工程量是北京2008年奧運會LED舞臺的10倍。

“巨大的舞臺之下，是重約5000噸、近6層樓高鋼結構焊成的鋼鐵骨骼，它在觀眾看不到的地下聳立支撐。”地面舞臺保障負責人趙勁彪說：“如此規模的鋼結構舞臺要足夠穩定，需要一組橫梁像手臂一樣在側面‘扶’住，但鳥巢建筑結構特殊，不允許搭建橫梁。”

“我們就向地下扎根。”舞臺施工負責人趙翔帶隊計劃施工進度、逐平方米測量標高、逐塊屏幕測試穩定性。鋼結構表面五六十攝氏度，他們一焊就是幾個小時，抵著鋼結構的臂膀燙出水泡也渾然不覺，硬是將這座世界最大的舞臺精度誤差控制在毫米級。

晶瑩剔透的冰立方緩緩升起，夢幻般的光澤美得讓人窒息。冰立方升降裝置保障負責人肖亮，沒有陶醉在這片浪漫里，他保持著設計施工中慣有的冷靜，目光像能透視一般，細細考量內部結構運行軌跡。

為了實現“冰山”效果，肖亮帶隊歷時數月設計迭代，第一輪實物試驗結果出來后，連親自參與施工的外協人員都不敢相信自己的眼睛，耗電315千瓦每小時的電機，拖著400噸的冰立方，走完10米行程，實際傳動效率與理論計算值僅相差0.01。

奧運五環像火箭一樣既堅韌又抗風

據中國航天科技集團一院所屬北京長征天民高科技有限公司技術總監申紀剛介紹，北京冬奧會開幕式上展示的奧運五環，其結構特點是大跨距、低剛度，它的設計和火箭研制異曲同工，對重量和精度要求都非常苛刻。

“我們參照了航天結構設計的一些方法，為五環研制了骨骼——鋁合金桁架結構，衣服——LED顯示屏，外套——擴散板，讓五環也跟火箭的箭體一樣，既堅又輕。”申紀剛說。

奧運五環和冰立方示意圖。中國航天科技集團一院供圖

項目經理王鉑說，五環要在整個地面系統的最大升降裝置——冰立方中升起，每一個過程都要配合得嚴絲合縫。研制團隊在場地受限等情況下，通過精確控制315千瓦電機，驅動16條鏈條、16條鋼絲繩組成的4套同步傳動單元，讓升降精度控制在毫米級。

我國新一代運載火箭都具備很強的抗風能力，設計人員將這種能力也賦予了五環，使懸吊高度為13米的奧運標志，在儀式中即便遇到6級強風，也定力十足。

技術總體人員趙勁彪介紹，五環重量約為3噸，厚度僅35厘米，骨骼為鋁合金，既堅韌又輕巧，“如此超薄的大尺寸裝置在高空迅速地升降，在強風面前如同一張紙，很容易發生起豎和側翻等現象。”

據技術人員介紹，考慮到威亞系統的承重能力，五環要不斷“減重”以降低負荷，但更換輕便材料后，其抗風性能又會下降，新材料還必須具備足夠的強度，保證懸掛中不會變形。

此外，為了實現最美的視覺效果，導演要求只能使用兩個吊點。

“讓五環安全地吊起來，核心是調控好產品形狀，其次是確定吊點。”趙勁彪告訴記者，項目團隊通過大量計算和試驗，精準確定吊點，實現了高空威亞平穩吊起五環并升到預定高度，與五星紅旗交相輝映的演出效果。

五環設計也有“備件”，可靠性堪比火箭設計

經過反復迭代，“冰雪五環”的圖紙終于定稿：內部是360度無死角的LED顯示屏，可以實現任意畫面的顯示，為導演團隊留出最大的創作空間；最外層的擴散板，為顯示屏做了“美顏”，保證視覺效果清晰而柔和。

航天系統工程研制中，可靠性設計也是重中之重，航天人也常常提到“冗余”，它意味著有備份、更可靠。

申紀剛告訴記者，奧運五環設計中，也有“備件”。

“五環采用了大量LED屏幕，如果某一個單元的燈珠臨時‘生病’怎么辦？我們采用了雙屏冗余的異形拼接LED可編程顯示裝置，一套有問題另一套屏幕馬上能頂上。當一個系統出現故障的時候，備份系統可以無延時切換。”申紀剛說。

他告訴記者，為確保五環展示環節的成功，火箭院冬奧團隊按航天系統工程方法，對標航天質量控制、風險控制、設計優化等要求，進行了上千次的虛擬仿真試驗，最終呈現了不一樣的五環，不一樣的航天技術。

申紀剛說，正是航天科技為藝術提供了更多的表現手段和實現的可能性，藝術又將靈感和生命力還與航天，二者彼此給予又相互融合。

奧運五環“破冰而出”示意圖。中國航天科技集團一院供圖

趙勁彪說，“面積巨大、結構超薄的五環，吊點稍有偏差就會彎曲變形，輕微的碰撞也易導致表面燈珠受損。”

一道道難題像一堵堵墻，但趙勁彪和團隊成員堅信，墻推倒了就是橋，他們將冗余措施精確到最小顆粒度，任何一個燈珠熄滅都有備份零秒切換；整個五環有任何閃失，藏于地下的備份五環都能準時升起。

如今使命完成，趙勁彪很想拍拍備份五環，說一句：兄弟，咱的使命完成了，臺前幕后一樣光榮。

微信編輯&記者：邱晨輝

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