冰雪競速，金牌之爭常常就在毫釐之間。賽場之上，運動員的精彩表現來自刻苦訓練，同時也離不開科研人員的技術支援。其中，精準研究冰面引數，為運動員實時提出調整策略，這背後蘊藏著各國的科技大比拼。在2022年冬奧會備戰期間，北京航空航天大學交通學院飛行器適航工程系副教授柯鵬就把航空航天數學模型原理用在了冰雪運動上。
借鑑航空航天飛行棋路線最佳化演算法
為冰雪運動找到最佳滑行路線
“高山滑雪滑降這個過程，運動員從高山上往下滑，其實和飛機飛行，或空降空投，有一定的類似性。”柯鵬告訴記者。2019年，柯鵬正在研究國產大飛機的中國適航標準，接到助力高山滑雪滑降專案科學訓練的任務。接到任務後，一個跨學科的團隊迅速成立，借鑑航天航空領域的飛行路線和配合最佳化演算法，柯鵬團隊用了三個月時間進行攻關，研究出了高山滑雪滑降運動的最佳滑行路線，此後，國家體育總局，冬季運動管理中心聘請了柯鵬作為中國冰雪科學家，為冰上運動科學訓練提供系統方案。
為了幫助競速運動員突破速度極限，柯鵬團隊研發出了一款訓練神器，它看起來像飛機兩側的發動機，幫助運動員適應超速，掌握在更高速度條件下的滑行技巧。那麼，採取哪種滑行姿態風阻最小、能耗最低、速度最快呢？柯鵬團隊又藉助航空航天領域的人機環境研究基礎，建立模型，尋找最佳滑行姿勢和最優體能分配方案。一千多個日夜，柯鵬團隊步履不停。
針對短道速滑和速度滑冰的個人比賽專案的減阻節能和提高成績，柯鵬團隊充分考慮運動員的個性化生理特徵、裝備特徵和環境特徵，包括體形、骨骼肌肉、生理生化等，建立數字運動員模型。不僅如此，柯鵬還率領北航交通科學與工程學院、航空科學與工程學院、生物與醫學工程學院等師生組成的團隊，充分借鑑航空工程的基礎理論和技術方法，基於“體工醫交叉，人機環融合”的思路，立足現實國情，對標國際水平，基於冰雪運動理論解決核心科學問題，面向隊伍需求開展科學訓練技術研究，科技助力冬奧備戰。
在這個過程中，團隊開展運動過程引數的實測和同步分析，建立滑冰運動過程中運動員能量輸出與節能減阻分析模型，有效評估各項滑行技術的影響，確定最佳引數組合，包括滑行路線、滑行節奏和滑行時間；蹬地動作、蹬地速度、蹬地方向；人體姿態、轉彎控制與平衡等，深入分析與挖掘現有的比賽和測試資料；為訓練方案的調整提供切實依據，為衝牌運動員精雕技術動作提供精準服務。
研發“三頭六臂”式冰溫測量系統
24小時不間斷給冰面“測體溫”
針對短道速滑和速度滑冰運動專案，柯鵬帶領團隊自主研發了“三頭六臂”式冰溫測量系統，24小時不間斷從溫度、厚度、硬度、摩擦係數等方面給冰面“測體溫”，確保為運動員日常訓練和比賽提供高質量的訓練冰面，確保訓練場地與比賽場地的一致性，確保訓練場地冰面質量的穩定性。
“我們之前統計了世界盃的資料，500米比賽中溫度差1度就是0。1秒，現在世界冠軍亞軍可能就差零點零幾秒，到時候可能冰會變軟，那提前磨刀，就不能再磨得這麼薄。”柯鵬介紹，“這個小冰車車下是冰刀，我們將涵道風扇裝到了冰車上，推動小車在冰上模擬運動員的壓力條件、滑行速度和滑行過程，利用車上高精度的感測器，測試冰面情況，從而獲得具體引數，從理論層面對製冰師提出要求，有助於製冰團隊精準把控施工，確保每次訓練時冰面狀態保持一致。測冰車已經過多次最佳化和完善，在國內多個大型冰場實地應用。不僅能測試冰，還可以測試裝置。”“冰的溫度、厚度、軟硬度、場館環境溫溼度等都會影響運動員發揮。通常情況下，運動員會說出他們對冰面軟硬度的直觀感受，而這種說法只能定性，無法定量，所以我們研發了可測量冰面軟硬度的高精度裝置。”北航交通學院助理教授杜鋒告訴記者。
除上述成果外，針對越野滑雪和速度滑冰，柯鵬團隊開展了多專案配速和輔助推進訓練系統樣機和研究。“一次典型的速度滑冰專案裡面，400米下來，我們的速度提升達到了10%。在一次越野滑雪的測試中，我們用了另外一款推力達到10公斤的一個涵道風扇，在80米滑行階段，速度提高從8米/秒提高到13米/秒，速度提高了將近70%。”柯鵬說。不僅如此，團隊還針對單板U型場地滑雪進行運動建模研究；針對自由式滑雪開展落地衝擊過程模擬研究等，將科技和運動員的訓練緊密結合，用科學助力冰雪運動。（記者 白玉潔）
