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航空科技如何助力中國女子帆板奧運奪金

2021-08-04 13:12:43 來源：科技日報

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

消息傳來，中國航空工業空氣動力研究院（以下簡稱航空工業氣動院）一片歡呼。

“我們通過投入自主創新項目，為奧運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，航空工業氣動院體育科技事業部部長王崇利說。

航空科技如何助力中國女子帆板奧運奪金？

帆船帆板運動是最為復雜的體育競技運動項目之一，涉及空氣動力學、水動力學、船舶原理、氣象學、水文學、海洋學、體育學等諸多學科，其中尤以“影響帆船帆板推進力的風帆空氣動力學和船體阻力的水動力學”最為關鍵。

帆船帆板運動的原理是什么？

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

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

什么是“影響帆船帆板推進力的風帆空氣動力學和船體阻力的水動力學”？

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

“二者產生壓差，推動帆船向前運動。”王崇利說，在產生推進力的同時，還將產生使船體傾覆的力矩和側向力，因此需要人的身體懸出船體外，達到平衡。

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，在后部產生低壓區，進而產生的壓差阻力組成。

2020年，在國家體育總局的期望下，航空工業調動起優勢研發力量，開始參與航空技術助力奧運項目工作。

為提高帆船帆板的運動速度，王崇利團隊圍繞帆船帆板運動開展了系統的CFD計算、風洞試驗研究以及帆船帆板模擬訓練系統的研制工作。

航空科技手段是如何提升帆船帆板的運動速度的？

王崇利告訴記者，如果想提升帆船帆板的運動速度，需要把握好行駛的航向，并隨風力和風向實時調整，使風帆和風向處于有利的相對夾角下，增加推進力；另外，還要實時調整身體姿態和位置，控制好船體的俯仰和側傾等角度，在增加推進力的同時，盡量降低相對水流對船體的阻力。

“例如在中大風逆風行船時，需要將船身左右盡量壓平以減小船體阻力，當風向改變5度左右時，通過我們計算分析，船帆跟進調整3度左右，可獲取相對較高的推進力。”王崇利說。

王崇利團隊充分利用航空科技手段，科學準確地獲取帆船帆板運動風帆氣動力、船體水阻力以及帆船航行姿態、船速等關鍵信息。

通過風洞試驗和空氣動力計算仿真的手段，基于體育風洞搭建了吹風試驗系統，對風帆的氣動力進行了一系列吹風研究，獲取了風帆的基本氣動力數據庫；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，并進行水動力對比計算研究工作，對不同器材的水動力性能進行了對比；通過研發基于GPS和陀螺儀原理的無線傳感器實現了帆船海上訓練數據的實時采集，為教練員對訓練效果評估提供了量化的數據。

“中國奧運成績的突破，也激勵著我們航空人繼續開拓進取。”王崇利表示，今后將為體育事業與科技的融合發展作出更多貢獻，助力更多中國運動健兒取得更好成績。

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