用航天材料打造冰雪“神器”

杨小平，北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室副主任，教授，博士生导师，国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项——冬季项目碳纤维复合材料高性能器材关键技术项目负责人。

现任中国复合材料学会、中国硅酸盐学会玻璃钢分会、SAMPE（国际先进材料与制造工程学会）北京分会等学会理事，国家药监局监督管理局口腔材料重点实验室学术委员，中国复合材料学会超细纤维复合材料分会副主任、中国复合材料学会车辆工程复合材料专委会委员等。

为了体现“科技冬奥”理念，北京冬奥会在赛事运动装备方面投入了许多科研力量。其中，在冰雪运动装备方面，研制了国内首台双人碳纤维雪车样机，突破了雪车外形结构一体化设计、高抗冲复合材料、高质量整体成型制造以及个性化定制等多项关键技术，解决了雪车低风阻、高可靠等技术难题，实现了国产雪车装备“从0到1”的突破。国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项——冬季项目碳纤维复合材料高性能器材关键技术项目负责人杨小平，介绍了国产高性能雪车的研发之路。

问：这个项目有什么立项背景？它主要解决哪些问题？

杨小平：在冬夏两季奥运会上，运动员的成绩都与器材息息相关。比如，夏季奥运会的撑杆跳、网球、自行车，冬季奥运会的雪车、滑雪、冰球等项目。碳纤维具有轻质高强的特点，在航空航天领域得到了广泛应用。在国际上，碳纤维的跳高杆、碳纤维的自行车、碳纤维的网球棚、碳纤维的雪车、碳纤维的滑雪板等，这一系列的高端器材都极大地提高了运动员的成绩。随着国产碳纤维在航空航天领域的高端应用，推动冬奥会上我国运动员能够用上我国自主生产的高端体育器材，这就是这个项目的立项背景。

问：目前，这个项目形成了哪些创新成果？有哪些亮点？

杨小平：立项时，我们考虑了四个方面的内容。第一个方面，要用我国的航天技术以及航天的结构设计，如风洞，建立体育器材的结构。第二个方面，要用国产的碳纤维复合材料建立材料体系。在这个方面，我们要研制出一系列高端体育器材，如碳纤维的2人或4人雪车、碳纤维的滑雪板、碳纤维的冰球杆等。第三个方面，把石墨烯、生物级橡胶等前沿新材料应用在体育器材的研制中。第四个方面，希望在国家队运动员的训练和比赛中，能用上我国自主研发的高端器材。这个项目中最大的亮点就是2人和4人的碳纤维雪车。

问：雪车项目是一个毫秒必争的项目，胜负常常在毫秒之间。针对这一特点的比赛，运动装备在技术上有哪些要求？

杨小平：雪车项目观赏性很强，运动速度可以达到每小时160公里，冠亚军之间的比赛成绩差距在毫秒之间。在平昌2018年冬奥会上，德国宝马汽车为德国队打造了一款碳纤维雪车，助力德国队拿到世界冠军，但是这个设备秘不示人，比賽结束后，他们就把这个装备“藏”起来了。我国在碳纤维雪车研制方面，以前是一片空白。现在在装备研发过程中，我们理解到，碳纤维雪车的特性体现在三个方面。第一个方面是要低风阻;第二个方面是高可靠性，因为速度达到了每小时160公里;第三个方面是可操控，我们这次研发的雪车是2人或4人的，有一个舵手，还有运动员，要便于操控。在这三个关键技术上，我们要有突破。通过研发，我们研制出了国内第一台碳纤维雪车。

国产雪车设计、制造、应用人员协同工作。

问：第一台雪车的研制背后一定有很多技术跨越，能否请您详细介绍一下？

杨小平：雪车的研制分为两个阶段。第一个阶段是填补空白阶段，实现了“从0到1”的突破。项目组从2019年11月开始，联合装备、设计、材料、制造等部门和体育部门，克服了底子薄的弱点和新冠肺炎疫情的影响，于2021年1月研制出了第一台国产碳纤维雪车。第二个阶段是迭代提升，推进现代化和规模化阶段。我们联合一汽红旗轿车，在人机工程和操控性能两个方面有了一些大的突破，实现了碳纤维雪车从可用到好用的跨越。

问：在这些技术的跨越中，科研团队都突破了哪些技术难题？

杨小平：我们突破了四个方面的技术难题。第一，舵面车身如何实现流线化？我们结合航天的风洞实验和结构设计技术，实现了系统优化，测试结果与国际同类产品相比，风阻系数降低了8%。第二，采用什么样的材料？我们采用了国产宇航级的T800碳纤维复合材料，特别突破了它耐高低温的一些性能，材料的一个关键指标冲击或压缩强度达到了350兆帕。第三，如何实现整体制造？我们采用了航天的热压罐技术，结合一体化制造，检测结果是缺陷小于1%，保证了高安全性。第四，雪车运动员的头盔怎么制造？结合3D打印的点阵技术和碳纤维复合材料，以及运动员头部的个性化数据，个性化定制了运动员的碳纤维头盔。我们检测发现，这个头盔减重20%，风阻系数明显下降，运动员佩戴的舒适度显著提高。通过四个方面关键技术的突破，实现了“从0到1”、从可用到好用的跨越。

问：在雪车项目中，头盔也是影响运动员的一个重要因素。请您展开介绍一下。

杨小平：不只是碳纤维雪车的头盔，在大部分冬季体育运动中，运动员都戴有头盔，头盔都是一个很重要的因素。碳纤维雪车的头盔，我们采用了三个方面的关键技术。第一，把运动员头盔的气动设计和雪车的气动设计结合起来，实现了“1+1>2”的气动减阻效果;第二，用3D打印技术做了一个点阵结构，加上碳纤维复合材料的高强度，能够避免运动员的颅内损伤，降低骨折风险;第三，以前，我国运动员使用的头盔都是国际化的，头盔的头型基本上是欧美运动员的头型，我们通过采集中国运动员的数据，为中国运动员实现了个性化定制。通过这三个方面的关键技术，这种3D打印的、定制化的碳纤维头盔不只雪车运动员能够使用，未来，其他运动员也都能够用上。

问：这个项目的研究成果对于中国体育装备产业的整体发展有什么意义？

杨小平：第一，实现了一些新技术和新材料在高端体育装备领域的应用;第二，正如航天技术可以用到民用领域，我们相信，碳纤维雪车或头盔研发的技术也能够向大众普及;第三，高端体育器材研发制造是一个大产业，通过这个项目的研究，我们为碳纤维高端体育器材产业的发展作出一些积极的探索，也能汲取很多的经验。