用航天材料打造冰雪“神器”

楊小平，北京化工大學有機無機復(fù)合材料國家重點實驗室副主任，教授，博士生導師，國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”重點專項——冬季項目碳纖維復(fù)合材料高性能器材關(guān)鍵技術(shù)項目負責人。

現(xiàn)任中國復(fù)合材料學會、中國硅酸鹽學會玻璃鋼分會、SAMPE（國際先進材料與制造工程學會）北京分會等學會理事，國家藥監(jiān)局監(jiān)督管理局口腔材料重點實驗室學術(shù)委員，中國復(fù)合材料學會超細纖維復(fù)合材料分會副主任、中國復(fù)合材料學會車輛工程復(fù)合材料專委會委員等。

為了體現(xiàn)“科技冬奧”理念，北京冬奧會在賽事運動裝備方面投入了許多科研力量。其中，在冰雪運動裝備方面，研制了國內(nèi)首臺雙人碳纖維雪車樣機，突破了雪車外形結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計、高抗沖復(fù)合材料、高質(zhì)量整體成型制造以及個性化定制等多項關(guān)鍵技術(shù)，解決了雪車低風阻、高可靠等技術(shù)難題，實現(xiàn)了國產(chǎn)雪車裝備“從0到1”的突破。國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”重點專項——冬季項目碳纖維復(fù)合材料高性能器材關(guān)鍵技術(shù)項目負責人楊小平，介紹了國產(chǎn)高性能雪車的研發(fā)之路。

問：這個項目有什么立項背景？它主要解決哪些問題？

楊小平：在冬夏兩季奧運會上，運動員的成績都與器材息息相關(guān)。比如，夏季奧運會的撐桿跳、網(wǎng)球、自行車，冬季奧運會的雪車、滑雪、冰球等項目。碳纖維具有輕質(zhì)高強的特點，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在國際上，碳纖維的跳高桿、碳纖維的自行車、碳纖維的網(wǎng)球棚、碳纖維的雪車、碳纖維的滑雪板等，這一系列的高端器材都極大地提高了運動員的成績。隨著國產(chǎn)碳纖維在航空航天領(lǐng)域的高端應(yīng)用，推動冬奧會上我國運動員能夠用上我國自主生產(chǎn)的高端體育器材，這就是這個項目的立項背景。

問：目前，這個項目形成了哪些創(chuàng)新成果？有哪些亮點？

楊小平：立項時，我們考慮了四個方面的內(nèi)容。第一個方面，要用我國的航天技術(shù)以及航天的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如風洞，建立體育器材的結(jié)構(gòu)。第二個方面，要用國產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料建立材料體系。在這個方面，我們要研制出一系列高端體育器材，如碳纖維的2人或4人雪車、碳纖維的滑雪板、碳纖維的冰球桿等。第三個方面，把石墨烯、生物級橡膠等前沿新材料應(yīng)用在體育器材的研制中。第四個方面，希望在國家隊運動員的訓練和比賽中，能用上我國自主研發(fā)的高端器材。這個項目中最大的亮點就是2人和4人的碳纖維雪車。

問：雪車項目是一個毫秒必爭的項目，勝負常常在毫秒之間。針對這一特點的比賽，運動裝備在技術(shù)上有哪些要求？

楊小平：雪車項目觀賞性很強，運動速度可以達到每小時160公里，冠亞軍之間的比賽成績差距在毫秒之間。在平昌2018年冬奧會上，德國寶馬汽車為德國隊打造了一款碳纖維雪車，助力德國隊拿到世界冠軍，但是這個設(shè)備秘不示人，比賽結(jié)束后，他們就把這個裝備“藏”起來了。我國在碳纖維雪車研制方面，以前是一片空白?，F(xiàn)在在裝備研發(fā)過程中，我們理解到，碳纖維雪車的特性體現(xiàn)在三個方面。第一個方面是要低風阻;第二個方面是高可靠性，因為速度達到了每小時160公里;第三個方面是可操控，我們這次研發(fā)的雪車是2人或4人的，有一個舵手，還有運動員，要便于操控。在這三個關(guān)鍵技術(shù)上，我們要有突破。通過研發(fā)，我們研制出了國內(nèi)第一臺碳纖維雪車。

國產(chǎn)雪車設(shè)計、制造、應(yīng)用人員協(xié)同工作。

問：第一臺雪車的研制背后一定有很多技術(shù)跨越，能否請您詳細介紹一下？

楊小平：雪車的研制分為兩個階段。第一個階段是填補空白階段，實現(xiàn)了“從0到1”的突破。項目組從2019年11月開始，聯(lián)合裝備、設(shè)計、材料、制造等部門和體育部門，克服了底子薄的弱點和新冠肺炎疫情的影響，于2021年1月研制出了第一臺國產(chǎn)碳纖維雪車。第二個階段是迭代提升，推進現(xiàn)代化和規(guī)模化階段。我們聯(lián)合一汽紅旗轎車，在人機工程和操控性能兩個方面有了一些大的突破，實現(xiàn)了碳纖維雪車從可用到好用的跨越。

問：在這些技術(shù)的跨越中，科研團隊都突破了哪些技術(shù)難題？

楊小平：我們突破了四個方面的技術(shù)難題。第一，舵面車身如何實現(xiàn)流線化？我們結(jié)合航天的風洞實驗和結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)了系統(tǒng)優(yōu)化，測試結(jié)果與國際同類產(chǎn)品相比，風阻系數(shù)降低了8%。第二，采用什么樣的材料？我們采用了國產(chǎn)宇航級的T800碳纖維復(fù)合材料，特別突破了它耐高低溫的一些性能，材料的一個關(guān)鍵指標沖擊或壓縮強度達到了350兆帕。第三，如何實現(xiàn)整體制造？我們采用了航天的熱壓罐技術(shù)，結(jié)合一體化制造，檢測結(jié)果是缺陷小于1%，保證了高安全性。第四，雪車運動員的頭盔怎么制造？結(jié)合3D打印的點陣技術(shù)和碳纖維復(fù)合材料，以及運動員頭部的個性化數(shù)據(jù)，個性化定制了運動員的碳纖維頭盔。我們檢測發(fā)現(xiàn)，這個頭盔減重20%，風阻系數(shù)明顯下降，運動員佩戴的舒適度顯著提高。通過四個方面關(guān)鍵技術(shù)的突破，實現(xiàn)了“從0到1”、從可用到好用的跨越。

問：在雪車項目中，頭盔也是影響運動員的一個重要因素。請您展開介紹一下。

楊小平：不只是碳纖維雪車的頭盔，在大部分冬季體育運動中，運動員都戴有頭盔，頭盔都是一個很重要的因素。碳纖維雪車的頭盔，我們采用了三個方面的關(guān)鍵技術(shù)。第一，把運動員頭盔的氣動設(shè)計和雪車的氣動設(shè)計結(jié)合起來，實現(xiàn)了“1+1>2”的氣動減阻效果;第二，用3D打印技術(shù)做了一個點陣結(jié)構(gòu)，加上碳纖維復(fù)合材料的高強度，能夠避免運動員的顱內(nèi)損傷，降低骨折風險;第三，以前，我國運動員使用的頭盔都是國際化的，頭盔的頭型基本上是歐美運動員的頭型，我們通過采集中國運動員的數(shù)據(jù)，為中國運動員實現(xiàn)了個性化定制。通過這三個方面的關(guān)鍵技術(shù)，這種3D打印的、定制化的碳纖維頭盔不只雪車運動員能夠使用，未來，其他運動員也都能夠用上。

問：這個項目的研究成果對于中國體育裝備產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展有什么意義？

楊小平：第一，實現(xiàn)了一些新技術(shù)和新材料在高端體育裝備領(lǐng)域的應(yīng)用;第二，正如航天技術(shù)可以用到民用領(lǐng)域，我們相信，碳纖維雪車或頭盔研發(fā)的技術(shù)也能夠向大眾普及;第三，高端體育器材研發(fā)制造是一個大產(chǎn)業(yè)，通過這個項目的研究，我們?yōu)樘祭w維高端體育器材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作出一些積極的探索，也能汲取很多的經(jīng)驗。