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【北京日报】国产雪车诞生记

  • 发布单位:党委宣传部(新闻中心)
  • 发布时间:2021-09-17
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圣莫里茨,一座瑞士东南部小城,四周被壮丽的阿尔卑斯山环绕,是享誉全球的滑雪胜地。过去,雪橇是这里居民出行的重要交通工具,也是大家竞技娱乐的主要项目。

19世纪末的一天,当地一名叫博布(Bob)的男孩一时兴起,将两只无舵雪橇前后摆放在一起,用前面的雪橇控制方向,从山上疾驰而下,这一冒险刺激的行为顿时引起了围观者的兴趣,也催生了一项新的运动——有舵雪橇,也被称为雪车。1924年第一届冬奥会,雪车比赛项目就被纳入其中。因为行驶速度高达每小时130公里以上,雪车又被形象地称作“冰雪F1”。

在即将到来的2022年北京冬奥会上,雪车项目将决出4枚金牌。中国雪车队有望驾驶着采用航天技术铸造的国产雪车,驰骋在小海陀山赛场。为了这一天,中国航天科技集团一院703所的周宇和同事们已经连续奋斗了近两年。

航天工程师的冰雪缘

1987年8月,湖南长沙的一家小卖部,店主老周迎来了家里的第二个男孩。在这个家里,读书最多的人是念了高中的妻子,给孩子起名自然责无旁贷。妻子当年给老大起单名一个“巍”字,这次她决定给老二起一个“宇”字。

两口子希望孩子们能胸怀壮志,投身对国家有意义的事业。

多年后,他们的愿望真的实现了,尤其是弟弟周宇拿下了博士学位,从事着最高、最广、最远的事业——面向星辰大海,服务中国航天。

长江以南,气候湿润,能够看雪的日子并不多。童年的周宇,每到年根儿,最大的期盼便是下一场大雪,这样他就能和小伙伴欢快地打一场雪仗。到了稍大一些,他拥有了人生第一双旱冰鞋,在不断地磕碰、摔跤中,周宇学会了滑旱冰。

2002年2月,盐湖城冬奥会举行,在短道速滑女子500米决赛中,杨扬实现了中国冬奥金牌零的突破。正读初中的周宇从电视里看到了杨扬飞一般划过终点的精彩瞬间,“原来这才是滑冰,纤细的冰刀划过洁白的冰面,跟旱冰鞋完全不同。”他的心中,充满了敬佩和羡慕。

2010年,周宇从南京大学本科毕业,进入北京大学攻读材料化学领域的研究生。当年冬季,在未名湖冰场,他如愿穿上了真正的冰刀冰鞋。“刚开始依然摔跤,但我有滑旱冰打下的底子,很快就掌握了保持平衡的技巧。”之后5年,从硕士到博士,在北大的每个冬天,未名湖冰场都成为周宇频频“打卡”的地方,搞研究累了,就去冰上遛一遛。

周宇还喜欢上了滑雪,经常和朋友去京郊的滑雪场,“我爱冒险,不怕摔,所以学起来很快。”没过多久,他就从初级雪道滑到了中级雪道,并且乐此不疲。

2015年,周宇顺利取得了博士学位。他也对自己有了更深刻的认识:学到的知识不应该只满足于发篇论文、出本书就束之高阁,应当投身应用领域,为国家、为社会做实际的贡献。跟许多男孩一样,周宇也对火箭、卫星、宇宙飞船等航天器有浓厚的兴趣。他清楚地记得:2003年,航天英雄杨利伟圆了中国人的飞天梦,围坐在电视机前的他和同学激动得击掌相庆。

当时运送杨利伟飞天的正是航天一院抓总研制的长征二号F运载火箭。于是,当航天一院校园招聘时,周宇毫不犹豫地报了名。经过考核,他如愿成为一院703所结构复合材料研究应用中心的工程师。

航天技术助力国产雪车研发突破

加入703所后,周宇主要从事树脂基结构复合材料的研发和应用。

树脂基结构复合材料,听起来神秘,其实近年来热门的碳纤维复合材料就属于树脂基复合材料。“一些高档的羽毛球拍、网球拍以及竞速自行车,因为采用了碳纤维复合材料,都具有重量轻、结构强度大的特点。”周宇说。

树脂基结构复合材料在航天领域也有重要应用。担纲我国嫦娥五号探月、天问一号火星探测以及空间站建造等重要任务的新型火箭长征五号、长征七号,有不少部段就采用了周宇和同事们研发的新型碳纤维复合材料,从而确保火箭载荷更大、更安全可靠。

这些航天新材料和新工艺,能否为在家门口举行的北京冬奥会助一臂之力?2017年,国家体育总局主要负责人到访703所。在交流中,中国工程院院士、703所所长李仲平提出,我们的航天科技可以助力冬奥,为冰雪运动在国内更好地普及,带动相关产业发展贡献一分力量。

其中,雪车就是一个重要的突破方向。虽然第一届冬奥会上它就是正式比赛项目,在国外普及程度较高,但在国内,这项运动还非常小众。一个重要原因就是:我们无法制造比赛专用雪车。大到国家队训练比赛,小到公众体验娱乐,都只能购买国外的产品。而欧美发达国家的代表队,均有本国著名的研究机构或公司定向研发,将最新技术应用到比赛装备中。

“我们能够买到的雪车,与欧美强队使用的定制版雪车,许多技术都相差悬殊,放在冬奥赛场上,竞争难度极大。”周宇说。

2019年,科技部发布了第二批科技冬奥科研项目申报指南,其中就包括雪车装备的研发制造。大家一致认为:突破冰雪运动装备“卡脖子”技术,就从雪车开始,让我们的国家队用上国产雪车!

专项攻关团队迅速组建。参照航天型号产品研制实施的“两总制”,李仲平院士担任总设计师,把关技术;703所副所长张东担任总指挥,协调保障资源配置与总体进度;研究员左小彪担任产品研制负责人,已经是高级工程师的周宇担任项目经理。团队设立总体、气动、结构、控制、材料/工艺和生产共六个小组,参与工作人员超过100人,均是中国航天装备研制生产方面的精干力量。

冬奥参赛雪车主要由车体、车架两部分组成,对重量、尺寸、基本用材有明确的要求。具体到车体,要求低风阻、耐冲击,这样才能提升速度,同时确保运动员的安全。“我们没有关起门来搞科研,而是广邀各方优势力量参与,取长补短。”周宇说,团队中有空气动力学研究专业机构——航天科技集团十一院的专家为雪车设计气动外形和风阻优化,也有曾执教中国雪车队的北京体育大学副教授袁晓毅,还有北京化工大学的材料专家、萄京娱乐场官网网站3D打印的专家。

第一代国产雪车研制成型

知己知彼,方能百战百胜。研制之初,团队伙伴们面临的最大挑战是对雪车不够熟悉。

位于延庆赛区的国家雪车雪橇中心当时尚未完工,国家雪车队的雪车装备都寄存在国外——由于国内没有合适的场地,他们只能选择出国训练参赛。因此,在国内找不出一台合格的参赛雪车。

“光从纸面上知道雪车样式、规范肯定不够,必须搞到实车进行比对验证。”在袁晓毅和703所宇航公司副总经理李瑞杰的帮助支持下,团队终于在2020年5月从国外引进了一台即将退役的雪车,“虽然即将退役,但因为是某冰雪运动强国的专用装备,比市场版雪车的技术性能要好很多,研究价值很大。”

完成报关手续后,这辆雪车被直接拉到了703所的车间。当晚,各小组负责人从四面八方赶来“解剖麻雀”,设计、材料、工艺……经过一个通宵的忙碌,大家心里有了底。“看得出来,这台雪车的气动外形是经过精心设计的。但从我们航天人的视角看,还有较大的优化空间。”周宇说,毕竟火箭整流罩要面对上万公里的时速,对外形的要求绝非百公里级的雪车可以比拟。在工艺材料方面,团队也能在航天领域找到重量更轻、强度更大的复合材料。

很多时候,关键核心技术就是一层纱。远远望去,百思不得其解。一旦靠近细看,一切都豁然开朗。

做中国人自己的雪车,就要拿出造火箭的决心与气魄。

团队通过风洞试验与计算结合,完成了雪车气动外形设计与优化,同时将国产的TG800宇航级碳纤维复合材料用于车体制造,“它的强度性能较国家队在用装备材料提升一倍以上。”周宇介绍,国产雪车还采用了翼身融合结构整体成型的新工艺,这样一方面保证了雪车车体的低风阻型面精度,另一方面减少了部件连接,提高了车体可靠性。火箭材料、构件的工艺在雪车上得到了应用。

不过,研制过程并非一帆风顺。从航天产品到雪车,团队科研人员要完成大幅“跨界”,挑战不小。2021年除夕前,大家赶着把样车做出来去开展风洞试验,结果车体怎么都装不到底盘上,“所有的部件尺寸都是按照设计图纸制作的,究竟什么地方出了问题?”现场装配的王胜勇师傅一遍遍调整安装角度,使劲儿、再使劲儿,金属底盘架把手勒出了一道道红印,依然不能如愿。

“零部件是不是没有经过预磨合,上来就装?”关键时刻,王胜勇的经验发挥了作用,很快,问题得到解决。

2021年1月,第一代国产雪车研制成型。风洞测试显示,在满足冬奥会比赛规范的前提下,它的风阻系数较国际同类产品降低了8%。

第二代国产雪车正式交付

2021年上半年,第一代雪车接受了中国雪车队的阶段性审查,优势明显,不足也依然存在,包括底盘结构不够先进、操控性能有待提升、人机尺寸有待优化等。要想让国产雪车真正驰骋在北京冬奥赛场上,必须加以改进。

要让专业的人干专业的事,研制团队亟须扩大“朋友圈”。底盘技术哪家强?非汽车企业莫属。在国家体育总局冬季运动管理中心的大力支持下,以703所为核心的原有团队与中国一汽集团成立联合攻关组,以“安全可靠、人机操控和气动减阻”为重点,启动第二代国产雪车(含2人和4人车两种车型)的攻关研制与生产。

双方分工明确,703所主要负责自主低风阻高可靠碳纤维车体及其他复合材料零部件的设计与制造,一汽集团主要负责雪车底盘、车架及其他金属零部件的设计与制造。

雪车交付前夕,记者见证了车间的忙碌。两套模具分别内嵌着雪车的车头和车身,两名技能人员猫着腰,钻进模具内,就像给手机贴膜一样,细心地铺贴着碳纤维复合材料预浸料。

这些材料看上去很像壁纸,“它是三明治结构,撕开上下两层的隔离保护膜,夹在中间的黑色碳纤维复合材料预浸料两面有黏性,轻薄、柔软、延展性好,呈细小的编织状。”周宇说,每根碳纤维单丝的直径只有头发丝直径的十分之一左右。

相比第一代国产雪车,第二代雪车有全链条全方位的提升,结构设计更精细,模具设计更合理,材料性能进一步提升,成型工艺进一步优化……根据比赛过程中雪车受力和承载的差异,雪车车身不同部位铺贴的厚度也不一样,有的部位需要铺贴几十层,有的部位只需要铺贴十几层,这就需要工人师傅的经验、耐心和细心,慢工才能出细活儿。

全车铺贴完后,还要把铺覆包封好的车体送进厂房尽头的热压罐里。通过对车体加热加压,原本柔软的复合材料中间体就会完全固化,成为坚硬结实的车体。

在雪车的研制过程中,作为“两总”的李仲平、张东也倾注了巨大的心力。关键环节的把关论证,重要时间节点的协调把控,他们都亲自参与,“中国的航天工程都是‘万人一杆枪’,团结就是力量。在国产雪车的科研攻关中,我们也同样拧成一股绳,再大的技术难关都能克服。”李仲平说。

2021年9月10日,首都体育馆。首批第二代4辆国产雪车正式交付国家体育总局冬季运动管理中心。这其中,包括两辆2人雪车,两辆4人雪车。

这些雪车的材料、工艺、重量和尺寸等均满足国际雪车雪橇联合会的标准要求,能满足国家队训练和比赛的需要。目前,我国已经具备年产60至100辆雪车的产业化能力。

后续,这些雪车将交付给中国国家雪车队进行赛道试滑,并同步开展正式比赛装备认证流程,力争在2022年北京冬奥会上正式应用。

在交付仪式后,张东说,衷心希望国产雪车能助力运动员在冬奥会上取得好成绩;后续科研人员将持续跟踪维护,全力以赴保障国家队需求,并推动国产雪车装备的持续改进与提升,为中国体育事业发展贡献航天力量。

在现场见证这一时刻,周宇感慨万千。航天力量让中华儿女的冰雪梦更近了一步,自己能参与其中,无比光荣。“期待着明年2月,我们能在小海陀山的雪车比赛现场,亲眼见证中国健儿使用我们自己的装备,跑出历史性的好成绩。”

在他看来,国产雪车研发之路能取得重大进展,正是航天精神和航天技术的集中体现。他透露,团队还在继续开展滑雪板研发,也要采用一系列航天技术和材料,帮助中国健儿在大赛中创造更佳的成绩,“我们还要让物美价廉的滑雪板走进千家万户,助力冰雪运动的推广普及。”对此,他信心满满。

小贴士 冬奥会雪车比赛

雪车也称“有舵雪橇”,是一种乘坐可操纵方向的雪橇在冰道上滑行的运动项目。雪车起源于19世纪末的瑞士。

●1897年 第一个有舵雪橇俱乐部在瑞士圣莫里茨创立。

●1924年 第一届冬季奥运会上,男子4人座雪车项目被采纳为正式比赛项目。

●1928年 为推进有舵雪橇发展,国际有舵雪橇和平底雪橇联合会决定从1930年开始举办世界有舵雪橇锦标赛。

●20世纪40年代末 田径、体操、手球等项目的一些运动员开始加入有舵雪橇比赛中来,从而大大推动了有舵雪橇运动的发展。

●1952年 国际有舵雪橇和平底雪橇联合会对有舵雪橇竞赛规则进行了修改,由单规定雪橇的重量,改为限制乘员和雪橇的总重量,不再片面追求大体重。

●20世纪70年代中期 一些国家和地区进一步加强了对雪橇结构的研究和设计,提髙了雪橇的性能,滑降的速度不断提高。到1988年,有舵雪橇滑降的速度已由20世纪20年代初期的50千米/小时,提高到143千米/小时。有舵雪橇以其特有的运动形式和刺激性吸引着越来越多的运动员,被誉为“冰雪F1”。

●1998年 有舵雪橇长期被视为男子的运动,进入20世纪90年代,这一禁区被德国、美国、瑞士、荷兰、意大利等国家的运动员打破。1998年,鉴于女子有舵雪橇运动的发展,国际奥委会决定将女子2人座比赛纳入冬奥会。

●2022年 北京冬季奥运会将举行男子双人、女子双人等4个雪车项目的比赛。

原载于《北京日报》2021年9月17日

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