采用航天技術(shù)的雪車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更精細(xì) 材料性能進(jìn)一步提升
- 科技日?qǐng)?bào)
- 2022-02-18 15:22:36
第二代雪車(chē)實(shí)現(xiàn)了全方位提升。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更精細(xì),模具設(shè)計(jì)更合理,材料性能進(jìn)一步提升……風(fēng)洞測(cè)試顯示,與國(guó)家隊(duì)在用車(chē)相比,第二代國(guó)產(chǎn)雪車(chē)計(jì)算風(fēng)阻系數(shù)降低6%,實(shí)測(cè)風(fēng)阻系數(shù)降低4%。
2月13日至20日,雪車(chē)比賽在北京冬奧會(huì)賽場(chǎng)舉辦,比賽共設(shè)4枚金牌(男子雙人、女子單人、女子雙人、四人雪車(chē))。賽場(chǎng)上,我國(guó)奧運(yùn)健兒駕駛著一襲“中國(guó)紅”雪車(chē)風(fēng)馳電掣,開(kāi)創(chuàng)佳績(jī)。
在北京冬奧會(huì)籌備的數(shù)年里,冰雪運(yùn)動(dòng)器材裝備實(shí)現(xiàn)重要突破,雙人及四人雪車(chē)的國(guó)產(chǎn)化便是其中的典型代表。北京化工大學(xué)教授楊小平接受采訪(fǎng)時(shí)告訴記者,國(guó)產(chǎn)雪車(chē)研發(fā)經(jīng)歷了兩個(gè)階段。從2019年11月項(xiàng)目組成立,到2021年1月研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)雙人碳纖維雪車(chē)原理樣機(jī),國(guó)產(chǎn)雪車(chē)實(shí)現(xiàn)“從無(wú)到有”的突破。此后,在國(guó)家體育總局冬運(yùn)中心指導(dǎo)下,研發(fā)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)一汽集團(tuán),全面提升雪車(chē)各環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)及性能。2021年9月雪車(chē)正式交付使用,迭代升級(jí)后的國(guó)產(chǎn)雪車(chē)不光達(dá)到“可用”標(biāo)準(zhǔn),還實(shí)現(xiàn)“好用”的效果。至此,國(guó)產(chǎn)雪車(chē)在設(shè)計(jì)、材料、工藝等方面完成突圍。
體育休閑領(lǐng)域的材料“寵兒”
高科技裝備是體育競(jìng)賽尤其是奧運(yùn)會(huì)賽場(chǎng)上暗藏的較量。
無(wú)論是夏季奧運(yùn)會(huì)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)夏奧會(huì))還是冬季奧運(yùn)會(huì)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)冬奧會(huì)),許多比賽項(xiàng)目都需借助器具來(lái)完成。比如夏奧會(huì)的撐桿跳、自行車(chē)、網(wǎng)球,以及冬奧會(huì)的雪車(chē)、滑冰、滑雪,誰(shuí)的器材更符合該項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)需求,誰(shuí)在競(jìng)技中就會(huì)如虎添翼,這也是為何雪車(chē)要實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到材料的全部國(guó)產(chǎn)化。
雪車(chē)項(xiàng)目勝負(fù)只在“毫厘”之間。2018年平昌冬奧會(huì)上,寶馬公司為德國(guó)隊(duì)打造了高科技碳纖維雪車(chē),成功助力德國(guó)隊(duì)奪得冠軍。當(dāng)時(shí),中國(guó)國(guó)家雪車(chē)隊(duì)剛剛成立2年,在競(jìng)技能力上與世界強(qiáng)隊(duì)相差懸殊,在雪車(chē)設(shè)計(jì)制造方面更是一片空白。
國(guó)產(chǎn)雪車(chē)在研制過(guò)程中突破的一項(xiàng)技術(shù)難題,是采用宇航級(jí)國(guó)產(chǎn)T800級(jí)碳纖維,以耐高低溫交變(零下196攝氏度—120攝氏度)韌性專(zhuān)用樹(shù)脂,研制高性能碳纖維復(fù)合材料。其實(shí),碳纖維復(fù)合材料不光受到雪車(chē)的“熱捧”,更受追求“輕質(zhì)高強(qiáng)”性能運(yùn)動(dòng)裝備的青睞。
楊小平告訴記者,碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)不僅在于質(zhì)量輕、設(shè)計(jì)自由度大,還在于疲勞強(qiáng)度大、破損安全性能好。碳纖維復(fù)合材料在百萬(wàn)次疲勞后,強(qiáng)度保留率仍達(dá)90%,遠(yuǎn)高于鋼材的40%,而且復(fù)合材料中纖維的斷裂不會(huì)引起連鎖反應(yīng)和災(zāi)難性急劇破壞,是對(duì)競(jìng)賽中運(yùn)動(dòng)員的絕佳保護(hù)。
國(guó)產(chǎn)雪車(chē)開(kāi)啟突圍“第一戰(zhàn)”
碳纖維是一種重要的戰(zhàn)略新材料,從“十一五”開(kāi)始,科技部持續(xù)支持,解決了尖端國(guó)防應(yīng)用原材料“卡脖子”的瓶頸。我國(guó)嫦娥五號(hào)探月、天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)以及空間站建造等重要任務(wù)使用新型火箭長(zhǎng)征五號(hào)、長(zhǎng)征七號(hào),有不少部段就采用了中國(guó)航天研發(fā)的新型碳纖維復(fù)合材料,從而確?;鸺d荷更大、更安全可靠。
這些航天新材料和新工藝,能否助北京冬奧會(huì)一臂之力?2017年,國(guó)家體育總局主要負(fù)責(zé)人到訪(fǎng)中國(guó)航天科技集團(tuán)一院703所。在交流中,中國(guó)工程院院士、703所所長(zhǎng)李仲平提出,我國(guó)的航天科技可以助力冬奧,為冰雪運(yùn)動(dòng)在國(guó)內(nèi)更好地普及、帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。
其中,雪車(chē)就是一個(gè)重要的突破方向。雖然在第一屆冬奧會(huì)上它就是正式比賽項(xiàng)目,在國(guó)外普及程度較高,但在國(guó)內(nèi),這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)還非常小眾。一個(gè)重要原因是我們無(wú)法制造比賽專(zhuān)用雪車(chē)。大到國(guó)家隊(duì)訓(xùn)練比賽,小到公眾體驗(yàn)娛樂(lè),都只能購(gòu)買(mǎi)國(guó)外的產(chǎn)品。而歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的代表隊(duì),均有本國(guó)著名的研究機(jī)構(gòu)或公司為其定向研發(fā),將最新技術(shù)應(yīng)用到比賽裝備中。
“我們能夠買(mǎi)到的雪車(chē),與歐美強(qiáng)隊(duì)使用的定制版雪車(chē)相比,運(yùn)用的許多技術(shù)都相差懸殊,導(dǎo)致在冬奧賽場(chǎng)上,我國(guó)運(yùn)動(dòng)員面臨極大競(jìng)爭(zhēng)難度。”楊小平說(shuō)。
2019年,科技部發(fā)布了第二批“科技冬奧”科研項(xiàng)目申報(bào)指南,立項(xiàng)支持雪車(chē)裝備的研發(fā)制造。專(zhuān)家一致認(rèn)為:突破冰雪運(yùn)動(dòng)裝備“卡脖子”技術(shù),就從雪車(chē)開(kāi)始!
參賽雪車(chē)主要由復(fù)合材料車(chē)體與金屬底盤(pán)車(chē)架組成,對(duì)重量、尺寸、基本用材有明確的要求。具體到車(chē)體,要求低風(fēng)阻、耐沖擊,這樣才能提升速度,同時(shí)確保運(yùn)動(dòng)員的安全。“科研需要協(xié)同攻關(guān),我們廣邀各方優(yōu)勢(shì)力量參與,互相支撐。”楊小平說(shuō),團(tuán)隊(duì)中既有空氣動(dòng)力學(xué)專(zhuān)家,也有曾執(zhí)教中國(guó)雪車(chē)隊(duì)的教練員,還有新材料專(zhuān)家。
團(tuán)隊(duì)成員從“解剖麻雀”開(kāi)始,對(duì)國(guó)外的一臺(tái)退役雪車(chē)層層分析,設(shè)計(jì)、材料、工藝……雪車(chē)內(nèi)部的面紗被揭開(kāi)。“看得出來(lái),這臺(tái)雪車(chē)的氣動(dòng)外形是經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的。但從我們航天人的視角看,還有較大的優(yōu)化空間。”團(tuán)隊(duì)中航天技術(shù)人員的反饋?zhàn)岉?xiàng)目團(tuán)隊(duì)心里有了底,畢竟火箭整流罩要面對(duì)上萬(wàn)公里的時(shí)速,對(duì)外形的要求絕非百公里級(jí)的雪車(chē)可以比擬。在工藝材料方面,團(tuán)隊(duì)也能在航天領(lǐng)域找到重量更輕、強(qiáng)度更大的碳纖維復(fù)合材料。
造國(guó)產(chǎn)雪車(chē)就要有所創(chuàng)新。團(tuán)隊(duì)通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)合,完成了雪車(chē)氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)與優(yōu)化,同時(shí)將國(guó)產(chǎn)的T800宇航級(jí)碳纖維復(fù)合材料用于車(chē)體制造。“它的強(qiáng)度性能較國(guó)家隊(duì)在用裝備材料提升1倍以上。”楊小平告訴記者,國(guó)產(chǎn)雪車(chē)還采用了翼身融合結(jié)構(gòu)整體成型的新工藝,這樣一方面保證了雪車(chē)車(chē)體的低風(fēng)阻型面精度,另一方面減少了部件連接,提高了車(chē)體可靠性。
2021年1月,第一代國(guó)產(chǎn)雪車(chē)研制成型。風(fēng)洞測(cè)試顯示,在滿(mǎn)足冬奧會(huì)比賽規(guī)范的前提下,它的風(fēng)阻系數(shù)較國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品降低了8%。
第二代雪車(chē)實(shí)現(xiàn)全方位提升
2021年上半年,第一代雪車(chē)接受了中國(guó)雪車(chē)隊(duì)的階段性審查,優(yōu)勢(shì)明顯,不足也依然存在,包括底盤(pán)車(chē)架不夠先進(jìn)、人機(jī)尺寸和操控有待優(yōu)化等。要想讓國(guó)產(chǎn)雪車(chē)真正馳騁在賽場(chǎng)上,必須加以改進(jìn)。
解決專(zhuān)項(xiàng)問(wèn)題,需要尋找專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)。原有攻關(guān)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)一汽集團(tuán)成立攻關(guān)組,以“安全可靠、人機(jī)操控和氣動(dòng)減阻”為重點(diǎn),啟動(dòng)第二代國(guó)產(chǎn)雪車(chē)(含雙人和四人車(chē)兩種車(chē)型)的研制與生產(chǎn)。
團(tuán)隊(duì)分工明確。航天科研人員主要負(fù)責(zé)自主低風(fēng)阻高可靠碳纖維車(chē)體及其他復(fù)合材料零部件的設(shè)計(jì)與制造,一汽集團(tuán)主要負(fù)責(zé)雪車(chē)底盤(pán)、車(chē)架及其他金屬零部件的設(shè)計(jì)與制造。
碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料要在模具內(nèi)完成鋪貼。這些材料看上去很像壁紙。它是三明治結(jié)構(gòu),撕開(kāi)上下兩層的隔離保護(hù)膜,夾在中間的黑色碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料兩面有黏性,輕薄、柔軟、延展性好,呈細(xì)小的編織狀。楊小平告訴記者,每根碳纖維單絲的直徑只有頭發(fā)絲直徑的十分之一左右。
全車(chē)鋪貼完后,還要把鋪覆包封好的車(chē)體送進(jìn)熱壓罐里。通過(guò)對(duì)車(chē)體加熱加壓,原本柔軟的復(fù)合材料中間體就會(huì)完全固化,成為堅(jiān)硬結(jié)實(shí)的車(chē)體。
“與第一代國(guó)產(chǎn)雪車(chē)相比,第二代雪車(chē)實(shí)現(xiàn)了全方位提升。”楊小平表示,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更精細(xì),模具設(shè)計(jì)更合理,材料性能進(jìn)一步提升……風(fēng)洞測(cè)試顯示,與國(guó)家隊(duì)在用車(chē)相比,第二代國(guó)產(chǎn)雪車(chē)計(jì)算風(fēng)阻系數(shù)降低6%,實(shí)測(cè)風(fēng)阻系數(shù)降低4%。
2021年9月10日,首批第二代4輛國(guó)產(chǎn)雪車(chē)正式交付國(guó)家體育總局冬季運(yùn)動(dòng)管理中心。這其中,包括兩輛雙人雪車(chē),兩輛四人雪車(chē)。
至此,國(guó)產(chǎn)雪車(chē)的材料、工藝、重量和尺寸等各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足國(guó)際雪車(chē)雪橇聯(lián)合會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)要求,而且已具備量產(chǎn)能力。隨著國(guó)產(chǎn)雪車(chē)投入量的增加,我們有理由相信,國(guó)產(chǎn)雪車(chē)在冬季項(xiàng)目比賽中將會(huì)大放異彩。
關(guān)鍵詞: 航天技術(shù) 國(guó)產(chǎn)雪車(chē) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 材料性能
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