雪车，“冰雪F1”你了解吗？
2022年2月4日，一场举世瞩目开幕式让我们享受了视觉的盛宴。2月13日，在延庆的国家雪车雪橇中心上演了另一番的速度与激情—雪车比赛，风驰电掣般的高速行驶是雪车的最大看点！今天有两名中国选手参加了比赛，怀明明暂时排在第5位，应清排名第8位，二人将在2月14日对该项目的奖牌发起冲击。而美国选手汉弗莱斯凭借两轮出色的发挥以2分09秒10的成绩暂列第一。此次冬奥会雪车比赛将会产生4枚金牌。竞赛项目包括男子四人、男子双人、女子单人、女子双人，其中女子单人为本届冬奥会新增小项。一批高端冰雪装备在赛事前实现国产“零突破”，这其中，就包括有着“冰上F1”之称的雪车。雪车的平均时速在100公里左右，最高可达160公里，那么这样一辆没有方向盘没有轮子的雪车如何达到上百公里的高速度？雪车为何被称作航空级技术的产品？给你一辆雪车，如何才能驾驶？
图 女子单人雪车比赛-怀明明出战
图源：视觉中国
https://www.sohu.com/a/522473454_116237
雪车，“冰雪F1”你了解吗？
1
雪车运动
1.1
雪车运动的由来
圣莫里茨，一座瑞士东南部小城，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，圣莫里茨的一位叫博布（Bob）的男孩即兴将两只无舵雪橇前后摆放在一起，从山上疾驰而下，引起了周围人的极大兴趣，而后，当地的一位叫马蒂斯（Mattis）的机械师经过了两个多月的研究和设计，制造出一台安装有操纵舵的木框架结构的长雪橇。于是，人们就将这种雪橇称为有舵雪橇，也就是今天的雪车。雪车在1924年第一届法国夏幕尼冬季奥运会上被采纳为正式比赛项目[1]。
图1 早期的雪车运动
图片来源：Bobsleigh history. IBSF.
1.2
雪车运动的发展及规则
1897年，世界上第一家雪车俱乐部在瑞士圣莫里茨成立，推动了这项运动在整个欧洲冬季度假胜地的发展。1950年代，随着雪车运动的重要性得到认可，吸引了众多其他项目运动员的加入，正是这些运动员的参与，雪车运动得到了极大的推广。1952年，雪车项目迎来了一项重要的规则，那就是限制雪车运动员和雪车的总重量，这项规则结束了超重量级雪车的时代[2]。在上世纪90年代初期，女子雪车运动员在欧洲和北美的赛事中首次亮相。北京2022年冬奥会雪车比赛将在北京延庆的国家雪车雪橇中心进行。
雪车赛期为两天，每天进行两次。首轮出发顺序由抽签决定。从第二轮起，出发顺序由前一轮的最后一名先出发，接着顺次下排。如图2，显示的是简易的比赛晋级规则。
图2 雪车比赛晋级规则
图片来源：王瑾，邵梓耕，徐晨.本研究为：“2016年度教育部人文社会科学研究规划基金项目《2022北京冬奥会视觉导向系统研究》的研究成果”
1.3
如何驾驶雪车？
了解了雪车的比赛规则，那么如何驾驶雪车呢？你要准备好雪车运动4大件，雪车服、雪车头盔、雪车鞋和雪车手套，如图3a—3d所示。
图3a 雪车服
图3b 雪车头盔
图3c 雪车鞋
图3d 雪车鞋
图片来源：王瑾，邵梓耕，徐晨.本研究为：“2016年度教育部人文社会科学研究规划基金项目《2022北京冬奥会视觉导向系统研究》的研究成果”
在驾驶雪车之前，你还要了解雪车的结构以及要找到几个小伙伴和你一起驾驶。雪车的车身主要由雪车前部、车身、方向盘、滑行装置、制动器、制动员的推杆、2名推手的推杆构成。雪车前部由2个方向舵制动的滑轮系统操作；底部由2组独立的滑行钢刃构成，滑行钢刃可通过车身内的2个把手控制。如图4所示，显示的是四人雪车的基本结构。
图4 雪车结构
图片来源：王瑾，邵梓耕，徐晨.本研究为：“2016年度教育部人文社会科学研究规划基金项目《2022北京冬奥会视觉导向系统研究》的研究成果”
雪车运动在出发信号发出6秒之内，运动员用手推雪车奔跑启动获得初始速度，推行距离约为50米。之后，运动员需要逐一跳入车体中，四人雪车按照舵手、两位中间队员和刹车手的顺序，双人车按照舵手、刹车手顺序依次跳入车体当中，并快速收起把手，呈坐姿滑行。滑行过程中，舵手需要控制车辆，选择最优路线。等雪车通过终点之后，刹车手要进行刹车[3]。到达终点时运动员均须在座位上，否则成绩无效[3,4]。图5显示的是不同角色的运动员座次位置，图6显示的是雪车在出发运动时，舵手跳入雪车。
图5 运动员座位位置
图片来源：王瑾，邵梓耕，徐晨.本研究为：“2016年度教育部人文社会科学研究规划基金项目《2022北京冬奥会视觉导向系统研究》的研究成果”
图6 出发时舵手跳入车内
图片来源：IBSF
1.4
北京冬奥为雪车运动准备了什么？
一个好的雪车滑行场所是雪车运动的基础。世界上目前只有十几个符合国际标准的雪车滑行场所，其中就有位于北京延庆的国家雪车雪橇中心，如图7所示。
图7 国家雪车雪橇中心
图片来源：TRACKS.IBSF.
拥有一辆高质量雪车对比赛成绩起到关键性作用。2016年，我国成立雪车国家队，而后研制了国产雪车及定制头盔。在研制过程中，三种技术尤为亮眼：雪车车身使用国产T800宇航级碳纤维复合材料，雪车设计采用复杂翼身融合结构，雪车定制头盔采用3D打印的SLS粉末烧结技术。经过测试，国产雪车的风阻系数，较进口同类雪车降低了5%，车速提高了3%，可提高竞赛成绩0.3～0.5秒。研发团队目前已掌握整车、车身、转向、制动等雪车制造领域的20多项关键技术。那么接下来详细揭秘用在雪车项目上的这三种技术[5]。
图8 2人与4人两种制式的国产雪车
图片来源：宋钰婷，王琳琳. 一汽集团联手航天科技研发国产雪车，实现正式交付. 新京报. 2021-9-10
2
碳纤维复合材料
2.1
什么是碳纤维？
碳纤维一般指含碳量在90%以上的高强度高模量纤维。耐高温居所有化纤之首。常用（聚丙烯腈）腈纶和粘胶纤维做原料，经高温氧化碳化而成[6]。高性能纤维具有高比强、高比模、耐高温、耐气候、耐化学试剂等特性，是近年来纤维高分子材料领域中发展迅速的一类特种纤维[7]。高性能。碳纤维的主要用途是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进复合材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度及比模量在现有工程材料中是最高的[8]。
图9 碳纤维毡
图片来源：王茂章,贺福编著,炭纤维的制造、性质及其应用,科学出版社,北京,1984
看似简单的碳纤维，想要达到高品质，国产化的道路很不易。一般我们按照碳纤维的性能将产品分为T系列和M系列，T代表高强度，M代表高模量。常见的T300、T400、T700、T800、T1000等，就是按照拉伸强度来进行划分的等级。T300的拉伸强度为3530MPa，T400拉伸强度为4410MPa，T700拉伸强度为4900 MPa，T800碳纤维分为两种，一种解捻拉伸强度5490MPa，一种无捻拉伸强度5880MPa。强度最高的是T1000，拉伸强度高达6370MPa。常见的M30、M40、M50、M55等，是按照拉伸模量来划分的等级，例如M30拉伸模量为294 GPa，M60拉伸模量为588GPa。
实际上，T系列和M系列，是日本东丽公司的产品型号，之所以业界用T和M划分碳纤维性能，也正是因为日本东丽在碳纤维领域垄断了多年，是全球最大的碳纤维厂商，它的型号几乎已成为碳纤维的标杆。其中，西方国家长期对中国施行T800系列碳纤维禁运，以阻止中国以此提高军用飞机性能以及在国际航空航天材料中获得竞争力。
表2.1 国内常以日本东丽产品型号为分类标准
资料来源：中复神鹰招股说明书、日本东丽碳纤维官网，
德邦研究院
2.2
国产碳纤维
我国在碳纤维领域也在奋起直追。2017年，据哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所检测报告显示。“天顺化工”12K自主型号T800级碳纤维拉伸强度为5495Mpa，强度离散系数Cv值为3.8%，拉伸模量为290Gpa，模量离散系数Cv值为2.5%，各项指标均达到或超过日本T800级碳纤维技术水平[9-11]。
图10 国产碳纤维
图片来源：国产新型碳纤维打破日本垄断 日本专家说了这四个字. 新浪军事. 2018-9-28
现如今国产碳纤维以其质量轻，高比强，高比模等优点，已成功应用于网球拍、羽毛球拍、山地车、笔记本、整流罩等航空、汽车、轨道、医疗、军工以及各种高端装备中。此外，2021年，国产T800H级碳纤维应用在上海航天八院设计研制的直径为3.35米的复合材料液氧贮箱的低温力学试验顺利完成，使用国产碳纤维的快舟一号乙(KZ-1B)运载火箭三子级发动机壳体和快舟一号乙(KZ-1B)运载火箭三子级发动机壳体成功通过水压爆破试验考核；成功通过水压爆破试验考核。
在今年冬奥会，我们也有幸能够看到由国产T800级碳纤维复合材料技术生产的国产雪车。雪车是冬奥会高端器材的“卡脖子”技术，在冬奥会用上国产雪车，这意味着中国科技打通了航空航天尖端材料与制造技术向冰雪运动器材的应用之路，标志着国产T800级碳纤维实现了低成本化、大众化和产业化，标志着中国碳纤维技术取得了进一步突破。
图11 703所高级工程师周宇介绍雪车复合材料
图片来源：马常艳. 科技冬奥！国产雪车，航天级技术造.中国经济网. 2022-1-22.
3
复杂翼身融合结构
为解决气动和结构限制，航天科技703所跨界选材抽出两个专项小组处理。小组组建就是为了科研人员突破思维壁垒，跨领域跨学科进行思维碰撞。
3.1
翼身融合选择原因
竞技雪车时速已经由1920年代的50公里时速增至160公里时速。如今顶级赛事的雪车平均时速在100公里左右。影响雪车速度的三大要素是：重量、空气阻力、摩擦。
在空气减阻方面，由于具有较大的迎面面积，雪车空气阻力减小3%，最终成绩可以提高0.1s。通过高效的机体改良可以提高成绩，在国际上雪车赛事上已经达成共识[12]。
3.2
翼身融合结构的概念及特点
“翼身融合”并不是一个新概念，其在上世纪40年代就已经出现。相比现有飞机气动布局，“翼身融合”的机身到机翼间为平滑过渡。由于这种设计，其气动阻力也更小，飞机的飞行效率也会获得提高，另外飞机能提供的可用空间也更多。在世界各国呼吁环保、要求航空界减少碳排放的背景下，“翼身融合”这种设计自然能获得一定青睐，尤其在军用飞机中应用广泛。美国的B2轰炸机就可以被视为一款典型的“翼身融合”飞机，见图12。
图12 B2轰炸机的外形
图片来源：隐形轰炸机.百度百科
传统的飞机构形为筒体-机翼构形，它是由一个类似圆柱形的机身。此结构中承载的主体为筒体，升力主体为机翼，机身和机翼之间的界限明显。如今针对上述结构的设计和制造技术很成熟，而且成体容易修改以适应各种情况。但是缺陷也是很明显，这种传统布局飞机经过数十年的发展，其空气动力效率的发挥已经接近极限。另外由于筒体极少承担升力，机翼极少承担符合，这种情况导致机翼和翼根处受理集中，结构效率低的缺陷。下图为两种常见的布局。
图13 传统飞机和翼身融合飞机对比
图片来源：Thomas A. Reist , David W. Zingg .Aerodynamic Design of Blended Wing-Body and Lifting-Fuselage Aircraft[C]. Aiaa Applied Aerodynamics Conference. 2016
翼身融合即把飞行器的机翼和机身合成一体来设计制造，二者之间没有明显的界限。翼身融合体的优点是结构重量轻、内部容积大、气动阻力小，可使飞机的飞行性能有较大改善。通过翼身融合，飞机可以获取更高的气动性能、隐身性能，还可以降低噪音和油耗。但是此种构型也存在自身缺陷。首要问题是安全性，“翼身融合”概念在操纵上更为困难，不管是控制系统还是驾驶员的驾驶模式，显然都需要做出调整。相比现在的圆筒式机身分散压力，“翼身融合”概念需要更加注意其结构强度。第二，其机舱布局也需要更多考量。在“翼身融合”的概念下，如果把旅客区域扩展至接近机翼两侧的地方，旅客会更强烈的感受到飞机倾斜等姿态，舒适度不佳（如同现在坐飞机机尾一般也比机中抖动幅度更大）。
图14 BWB飞机平面参数
图片来源：王钟毓, 段卓毅, 耿建中,等. 翼身融合布局飞机平面参数优化设计[C].第八届中国航空学会青年科技论坛.0.
3.3
翼身融合结构的应用效果
翼身融合具有显著的优点。首先翼身融合结构整体成型技术具有低风阻特性。第一代的国产雪车研制，经过风洞测试，显示国产雪车的风阻系数较国际同类产品降低8%。现在国产雪车已经进行到了第二代成品，并且在不断迭代。其次翼身融合结构整体成型的新工艺减少了部件连接，同时提高了车体可靠性[13]。
4
3D打印技术
雪车运动是一项高强度比赛，运动员赛后取下雪车头盔时，脸往往已经变形，全都是勒痕。还有镜片不防雾、漏风等现象出现，雪车头盔做的好不好，不仅会影响运动员的状态，还会导致头盔的风阻系数变高，影响最终的比赛成绩。所以研制一款高安全性，同时兼顾舒适性的雪车头盔十分必要，国产雪车头盔采用了3D打印的SLS粉末烧结技术。
4.1
SLS原理
选择性激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS）技术主要是利用粉末材料在激光照射下高温烧结的基本原理，通过计算机控制光源定位装置实现精确定位，然后逐层烧结堆积成型。
SLS的工作过程与3DP相似，都是基于粉末床进行的，区别在于3DP是通过喷射粘结剂来粘结粉末，而SLS是利用红外激光烧结粉末。先用铺粉滚轴铺一层粉末材料，通过打印设备里的恒温设施将其加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，接着激光束在粉层上照射，使被照射的粉末温度升至熔化点之上，进行烧结并与下面已制作成形的部分实现黏结。当一个层面完成烧结之后，打印平台下降一个层厚的高度，铺粉系统为打印平台铺上新的粉末材料，然后控制激光束再次照射进行烧结，如此循环往复，层层叠加，直至完成整个三维物体的打印工作[14]。
图15 SLS激光烧结成型工艺原理图
图片来源：刘屹环. SLS 选择性激光烧结：影响最深远的3D打印技术.知乎.2017-4-12
4.2
SLS技术优势与限制
优势可分为5部分：（1）可使用材料广泛。可使用的材料包括尼龙、聚苯乙烯等聚合物，铁、钛、合金等金属、陶瓷、覆膜砂等；（2）成型效率高。由于SLS技术并不完全熔化粉末，而仅是将其烧结，因此制造速度快；（3）材料利用率高。未烧结的材料可重复使用，材料浪费少，成本较低；（4）无需支撑。由于未烧结的粉末可以对模型的空腔和悬臂部分起支撑作用，不必像FDM和SLA工艺那样另外设计支撑结构，可以直接生产形状复杂的原型及部件；（5）应用面广。由于成型材料的多样化，可以选用不同的成型材料制作不同用途的烧结件，可用于制造原型设计模型、模具母模、精铸熔模、铸造型壳和型芯等。
技术限制可分为3部分：（1）原材料价格及采购维护成本都较高。（2）机械性能不足。SLS成型金属零件的原理是低熔点粉末粘结高熔点粉末，导致制件的孔隙度高，机械性能差，特别是延伸率很低，很少能够直接应用于金属功能零件的制造。（3）需要比较复杂的辅助工艺。由于SLS所用的材料差别较大，有时需要比较复杂的辅助工艺，如需要对原料进行长时间的预处理（加热）、造成完成后需要进行成品表面的粉末清理等[14]。
4.3
国产3D打印头盔
科研人员通过采集每个运动员的数据，综合3D扫描、设计、3D打印技术，进行个性化制造，从而达到贴合每一位运动员实际需求的效果。图16是科研人员为运动员定制的头盔。
图16 国产头盔
图片来源：国家队专属！东莞理工学院研发攻克雪车头盔核心技术助力冬奥会. 东莞阳光网.2021-11-22
头盔核心技术是其内部的缓冲层。头盔的性能很大一方面取决于其缓冲性能。国产头盔的缓冲层利用3D打印的SLS粉末烧结技术，并且做了点阵结构用于力的分解，该核心技术比美国和欧洲的综合标准提高了46%，硬度比美国标准增强了50%[15]。
5
北京冬奥雪车项目比赛展望
德国、瑞士、意大利、美国和加拿大，是雪车项目的世界强国。奥运冠军、德国选手弗里德里希，奥运冠军、加拿大人贾斯汀，美国女子雪车老将泰勒和她的队友汉弗莱斯，以及加拿大选手德布鲁因等人，都将是北京冬奥会雪车项目金牌的有力争夺者。
中国雪车队在2015年北京申办冬奥会成功后组建并首次参加平昌冬奥会的比赛。希望我国的运动健儿们在一众国产科技设备的加持下取得好的成绩，最后，为大家附上冬奥雪车项目的比赛时间表。
表5.1 雪车比赛时间表
作者简介
陈 刚，清华大学核研院2021级博士生，研究方向为辐射成像与辐射探测
李 伟，清华大学工物系2021级研究生，研究方向为故障分析
程泽堃，清华大学材料学院2021级直博生，研究方向为纳米纤维材料
参考文献
[1] 刘艾林 .冬奥小课堂雪车 冰道上的“有舵雪橇”.北京青年报.2022-1-13
URL:https://www.chinanews.com.cn/ty/2022/01-13/9650802.shtml
[2] Bobsleigh history. IBSF.
URL:https://www.ibsf.org/en/our-sports
[3] 王瑾，邵梓耕，徐晨.本研究为：“2016年度教育部人文社会科学研究规划基金项目《2022北京冬奥会视觉导向系统研究》的研究成果”
[4] 姚友明. 你不知道的冬奥事：雪车项目如何上演速度与激情？新华网.2022-1-19
URL:http://www.news.cn/2022-01/19/c_1128277802.htm
URL:https://www.beijing2022.cn/wog.htm?cmsid=EYS2021100700307000
[5] 宋钰婷，王琳琳. 一汽集团联手航天科技研发国产雪车，实现正式交付. 新京报. 2021-9-10
URL:http://www.bjnews.com.cn/detail/163125758814576.html
[6] 王茂章,贺福编著,炭纤维的制造、性质及其应用,科学出版社,北京,1984。
[7] 张新元, 何碧霞, 李建利, 等. 高性能碳纤维的性能及其应用[J]. 棉纺织技术, 2011, 39(4): 65-68.
[8] 林红，赵凯，余建华，等．碳纤维产业发展态势分析[J]．新材料产业，2007(4)
[9] 李书乡, 马全胜, 张顺. 中国高性能碳纤维产业的创新发展[J]. 科技导报, 2018, 36(19): 73-80.
[10] 李伟东, 张金栋, 刘刚, 等. 国产 T800 碳纤维/双马来酰亚胺复合材料的界面及力学性能[J]. 复合材料学报, 2016, 33(7): 1484-1491.
[11] 顾红星. 国产 T800 碳纤维表征分析及树脂基复合材料性能研究[D]. 西安: 中国科学院研究生院西安光学精密机械研究所, 2015
[12] 李钊, 李庆. 雪车、雪橇项目特征分析[J]. 体育科学, 2019(3):7.
[13] 刘雨菲. 打破国外垄断，中国队用上了国产雪车. 人民日报. 2022-1-28
URL:http://www.xhby.net/index/202201/t20220128_7403433.shtml
[14] 刘屹环. SLS 选择性激光烧结：影响最深远的3D打印技术.知乎.2017-4-12
URL:https://zhuanlan.zhihu.com/p/26310586
[15] 国家队专属！东莞理工学院研发攻克雪车头盔核心技术助力冬奥会. 东莞阳光网.2021-11-22
URL:https://news.sun0769.com/dg/headnews/202111/t20211117_16208126.shtml?spm=zm5111-001.0.0.2.1OLxxV
文稿 | 陈 刚 李 伟 程泽堃
编辑 | 庄伟建
审核 | 陈星安 李 波 蔡世杰