航空科技如何助力中国女子帆板奥运夺金

2021-08-04 13:12:43 来源：科技日报

7月31日下午，中国帆船帆板奥运健儿卢云秀勇夺女子帆板RS：X级奥运金牌，这是时隔13年后，中国代表团再次拿到的帆船帆板项目奥运会金牌。当天下午，毕焜勇夺男子帆板RS：X级奥运铜牌，为中国男子帆板实现奥运奖牌零的突破。

消息传来，中国航空工业空气动力研究院（以下简称航空工业气动院）一片欢呼。

“我们通过投入自主创新项目，为奥运提供了全面的航空气动力科技支持。”8月3日，在接受科技日报记者采访时，航空工业气动院体育科技事业部部长王崇利说。

航空科技如何助力中国女子帆板奥运夺金？

帆船帆板运动是最为复杂的体育竞技运动项目之一，涉及空气动力学、水动力学、船舶原理、气象学、水文学、海洋学、体育学等诸多学科，其中尤以“影响帆船帆板推进力的风帆空气动力学和船体阻力的水动力学”最为关键。

帆船帆板运动的原理是什么？

现代帆船运动始于荷兰，是依靠自然风力作用于船帆上，由人驾驶船只前进的一项集竞技、娱乐、观赏、探险于一体的体育运动项目。

“帆船帆板单次比赛中分为顺风和逆风航段。”王崇利说，顺风和逆风航行下，需要不同的操作策略，以使得风与船帆形成合适的气动迎角产生气动推力，气动推力和水流的阻力相互作用，实现帆船的加减速和转向。

什么是“影响帆船帆板推进力的风帆空气动力学和船体阻力的水动力学”？

“帆船帆板在顺风阶段，基本就是被风推着跑的，也就是空气对帆的气动压力推动帆船前进。”王崇利说，而帆船逆风行驶的动力来源，则是空气动力学所谓的“伯努利效应”。所谓“伯努利效应”，即通过与风向形成一定的相对角度，在帆的外侧，空气流速相对高，压力低；在帆的内侧，空气流速相对低，压力高。

“二者产生压差，推动帆船向前运动。”王崇利说，在产生推进力的同时，还将产生使船体倾覆的力矩和侧向力，因此需要人的身体悬出船体外，达到平衡。

船体所受到的阻力包括两个部分。一是水体流过船体时，与船体表面摩擦带来的阻力；二是在水绕流过船体时，在后部产生低压区，进而产生的压差阻力组成。

2020年，在国家体育总局的期望下，航空工业调动起优势研发力量，开始参与航空技术助力奥运项目工作。

为提高帆船帆板的运动速度，王崇利团队围绕帆船帆板运动开展了系统的CFD计算、风洞试验研究以及帆船帆板模拟训练系统的研制工作。

航空科技手段是如何提升帆船帆板的运动速度的？

王崇利告诉记者，如果想提升帆船帆板的运动速度，需要把握好行驶的航向，并随风力和风向实时调整，使风帆和风向处于有利的相对夹角下，增加推进力；另外，还要实时调整身体姿态和位置，控制好船体的俯仰和侧倾等角度，在增加推进力的同时，尽量降低相对水流对船体的阻力。

“例如在中大风逆风行船时，需要将船身左右尽量压平以减小船体阻力，当风向改变5度左右时，通过我们计算分析，船帆跟进调整3度左右，可获取相对较高的推进力。”王崇利说。

王崇利团队充分利用航空科技手段，科学准确地获取帆船帆板运动风帆气动力、船体水阻力以及帆船航行姿态、船速等关键信息。

通过风洞试验和空气动力计算仿真的手段，基于体育风洞搭建了吹风试验系统，对风帆的气动力进行了一系列吹风研究，获取了风帆的基本气动力数据库；通过水动力计算手段，对国家队帆船帆板等器材开展三维扫描建模，并进行水动力对比计算研究工作，对不同器材的水动力性能进行了对比；通过研发基于GPS和陀螺仪原理的无线传感器实现了帆船海上训练数据的实时采集，为教练员对训练效果评估提供了量化的数据。

“中国奥运成绩的突破，也激励着我们航空人继续开拓进取。”王崇利表示，今后将为体育事业与科技的融合发展作出更多贡献，助力更多中国运动健儿取得更好成绩。

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