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用航天材料打造冰雪“神器”

2022-03-07

人民周刊 2022年2期
关键词:雪车体育器材神器

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。

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