2月13日至20日，雪車比賽在北京冬奧會(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)。賽場(chǎng)上，我國(guó)奧運(yùn)健兒駕駛著一襲“中國(guó)紅”國(guó)產(chǎn)雪車風(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時(shí)告訴科技日?qǐng)?bào)記者，國(guó)產(chǎn)雪車研發(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)雙人碳纖維雪車原理樣機(jī)，國(guó)產(chǎn)雪車實(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)，全面提升雪車各環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)及性能。2021年9月雪車正式交付使用，迭代升級(jí)后的國(guó)產(chǎn)雪車不光達(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)稱夏奧會(huì))還是冬季奧運(yùn)會(huì)(以下簡(jiǎn)稱冬奧會(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、網(wǎng)球，以及冬奧會(huì)的雪車、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，這也是為何雪車要實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到材料的全部國(guó)產(chǎn)化。

雪車項(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，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，在雪車設(shè)計(jì)制造方面更是一片空白。

國(guó)產(chǎn)雪車在研制過(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。

楊小平告訴科技日?qǐng)?bào)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，從而確保火箭載荷更大、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)法制造比賽專用雪車。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。

“我們能夠買到的雪車，與歐美強(qiáng)隊(duì)使用的定制版雪車相比，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)支持雪車裝備的研發(fā)制造。專家一致認(rèn)為：突破冰雪運(yùn)動(dòng)裝備“卡脖子”技術(shù)，就從雪車開(kāi)始!

參賽雪車主要由復(fù)合材料車體與金屬底盤車架組成，對(duì)重量、尺寸、基本用材有明確的要求。具體到車體，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)專家，也有曾執(zhí)教中國(guó)雪車隊(duì)的教練員，還有新材料專家。

團(tuán)隊(duì)成員從“解剖麻雀”開(kāi)始，對(duì)國(guó)外的一臺(tái)退役雪車層層分析，設(shè)計(jì)、材料、工藝……雪車內(nèi)部的面紗被揭開(kāi)。“看得出來(lái)，這臺(tái)雪車的氣動(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車體的低風(fēng)阻型面精度，另一方面減少了部件連接，提高了車體可靠性。

2021年1月，第一代國(guó)產(chǎn)雪車研制成型。風(fēng)洞測(cè)試顯示，在滿足冬奧會(huì)比賽規(guī)范的前提下，它的風(fēng)阻系數(shù)較國(guó)際同類產(chǎn)品降低了8%。

第二代雪車實(shí)現(xiàn)全方位提升

2021年上半年，第一代雪車接受了中國(guó)雪車隊(duì)的階段性審查，優(yōu)勢(shì)明顯，不足也依然存在，包括底盤車架不夠先進(jìn)、人機(jī)尺寸和操控有待優(yōu)化等。要想讓國(guó)產(chǎn)雪車真正馳騁在賽場(chǎng)上，必須加以改進(jìn)。

解決專項(xiàng)問(wèn)題，需要尋找專業(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(含雙人和四人車兩種車型)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)雪車底盤、車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。

全車鋪貼完后，還要把鋪覆包封好的車體送進(jìn)熱壓罐里。通過(guò)對(duì)車體加熱加壓，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)的車體。

“與第一代國(guó)產(chǎn)雪車相比，第二代雪車實(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)當(dāng)時(shí)的在用車相比，第二代國(guó)產(chǎn)雪車計(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，兩輛四人雪車。

至此，國(guó)產(chǎn)雪車的材料、工藝、重量和尺寸等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國(guó)際雪車雪橇聯(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)雪車投入量的增加，我們有理由相信，國(guó)產(chǎn)雪車在冬季項(xiàng)目比賽中將會(huì)大放異彩。(何 亮)