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航空科技如何助力中國女子帆板奧運(yùn)奪金

2021-08-04 13:12:43 來源：科技日報

7月31日下午，中國帆船帆板奧運(yùn)健兒盧云秀勇奪女子帆板RS：X級奧運(yùn)金牌，這是時隔13年后，中國代表團(tuán)再次拿到的帆船帆板項目奧運(yùn)會金牌。當(dāng)天下午，畢焜勇奪男子帆板RS：X級奧運(yùn)銅牌，為中國男子帆板實現(xiàn)奧運(yùn)獎牌零的突破。

消息傳來，中國航空工業(yè)空氣動力研究院（以下簡稱航空工業(yè)氣動院）一片歡呼。

“我們通過投入自主創(chuàng)新項目，為奧運(yùn)提供了全面的航空氣動力科技支持。”8月3日，在接受科技日報記者采訪時，航空工業(yè)氣動院體育科技事業(yè)部部長王崇利說。

航空科技如何助力中國女子帆板奧運(yùn)奪金？

帆船帆板運(yùn)動是最為復(fù)雜的體育競技運(yùn)動項目之一，涉及空氣動力學(xué)、水動力學(xué)、船舶原理、氣象學(xué)、水文學(xué)、海洋學(xué)、體育學(xué)等諸多學(xué)科，其中尤以“影響帆船帆板推進(jìn)力的風(fēng)帆空氣動力學(xué)和船體阻力的水動力學(xué)”最為關(guān)鍵。

帆船帆板運(yùn)動的原理是什么？

現(xiàn)代帆船運(yùn)動始于荷蘭，是依靠自然風(fēng)力作用于船帆上，由人駕駛船只前進(jìn)的一項集競技、娛樂、觀賞、探險于一體的體育運(yùn)動項目。

“帆船帆板單次比賽中分為順風(fēng)和逆風(fēng)航段。”王崇利說，順風(fēng)和逆風(fēng)航行下，需要不同的操作策略，以使得風(fēng)與船帆形成合適的氣動迎角產(chǎn)生氣動推力，氣動推力和水流的阻力相互作用，實現(xiàn)帆船的加減速和轉(zhuǎn)向。

什么是“影響帆船帆板推進(jìn)力的風(fēng)帆空氣動力學(xué)和船體阻力的水動力學(xué)”？

“帆船帆板在順風(fēng)階段，基本就是被風(fēng)推著跑的，也就是空氣對帆的氣動壓力推動帆船前進(jìn)。”王崇利說，而帆船逆風(fēng)行駛的動力來源，則是空氣動力學(xué)所謂的“伯努利效應(yīng)”。所謂“伯努利效應(yīng)”，即通過與風(fēng)向形成一定的相對角度，在帆的外側(cè)，空氣流速相對高，壓力低；在帆的內(nèi)側(cè)，空氣流速相對低，壓力高。

“二者產(chǎn)生壓差，推動帆船向前運(yùn)動。”王崇利說，在產(chǎn)生推進(jìn)力的同時，還將產(chǎn)生使船體傾覆的力矩和側(cè)向力，因此需要人的身體懸出船體外，達(dá)到平衡。

船體所受到的阻力包括兩個部分。一是水體流過船體時，與船體表面摩擦帶來的阻力；二是在水繞流過船體時，在后部產(chǎn)生低壓區(qū)，進(jìn)而產(chǎn)生的壓差阻力組成。

2020年，在國家體育總局的期望下，航空工業(yè)調(diào)動起優(yōu)勢研發(fā)力量，開始參與航空技術(shù)助力奧運(yùn)項目工作。

為提高帆船帆板的運(yùn)動速度，王崇利團(tuán)隊圍繞帆船帆板運(yùn)動開展了系統(tǒng)的CFD計算、風(fēng)洞試驗研究以及帆船帆板模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研制工作。

航空科技手段是如何提升帆船帆板的運(yùn)動速度的？

王崇利告訴記者，如果想提升帆船帆板的運(yùn)動速度，需要把握好行駛的航向，并隨風(fēng)力和風(fēng)向?qū)崟r調(diào)整，使風(fēng)帆和風(fēng)向處于有利的相對夾角下，增加推進(jìn)力；另外，還要實時調(diào)整身體姿態(tài)和位置，控制好船體的俯仰和側(cè)傾等角度，在增加推進(jìn)力的同時，盡量降低相對水流對船體的阻力。

“例如在中大風(fēng)逆風(fēng)行船時，需要將船身左右盡量壓平以減小船體阻力，當(dāng)風(fēng)向改變5度左右時，通過我們計算分析，船帆跟進(jìn)調(diào)整3度左右，可獲取相對較高的推進(jìn)力。”王崇利說。

王崇利團(tuán)隊充分利用航空科技手段，科學(xué)準(zhǔn)確地獲取帆船帆板運(yùn)動風(fēng)帆氣動力、船體水阻力以及帆船航行姿態(tài)、船速等關(guān)鍵信息。

通過風(fēng)洞試驗和空氣動力計算仿真的手段，基于體育風(fēng)洞搭建了吹風(fēng)試驗系統(tǒng)，對風(fēng)帆的氣動力進(jìn)行了一系列吹風(fēng)研究，獲取了風(fēng)帆的基本氣動力數(shù)據(jù)庫；通過水動力計算手段，對國家隊帆船帆板等器材開展三維掃描建模，并進(jìn)行水動力對比計算研究工作，對不同器材的水動力性能進(jìn)行了對比；通過研發(fā)基于GPS和陀螺儀原理的無線傳感器實現(xiàn)了帆船海上訓(xùn)練數(shù)據(jù)的實時采集，為教練員對訓(xùn)練效果評估提供了量化的數(shù)據(jù)。

“中國奧運(yùn)成績的突破，也激勵著我們航空人繼續(xù)開拓進(jìn)取。”王崇利表示，今后將為體育事業(yè)與科技的融合發(fā)展作出更多貢獻(xiàn)，助力更多中國運(yùn)動健兒取得更好成績。

標(biāo)簽：航空工業(yè) 航空科技帆船帆板運(yùn)動現(xiàn)代帆船運(yùn)動