Protopopov a commencé à patiner relativement tard, à 15 ans, et a été entraîné par Nina Lepninskaya. En 1951, il est incorporé dans la flotte balte mais profite de chaque permission pour patiner. Sa première partenaire était Margarita Bogoyavlenskaya, avec laquelle il a remporté la médaille d’argent aux Championnats soviétiques de 1953.
Protopopov a rencontré Ludmila Belousova au printemps 1954 à Moscou. Elle a déménagé à Leningrad en 1955 et a commencé à s’entraîner avec Protopopov en 1956 après sa démobilisation.Ils se sont entraînés au VSS Lokomotiv et ont participé à des compétitions internationales pour l’URSS. Belousova et Protopopov sont d’abord entraînés par Igor Moskvin, puis par Pyotr Orlov, mais se séparent d’Orlov après plusieurs désaccords. Ils s’entraînent alors sans entraîneur sur une patinoire à Voskresensk, dans l’oblast de Moscou. En 1961, ils décident de travailler avec Stanislav Zhuk pour élever leur difficulté technique.
Belousova et Protopopov font leurs débuts aux Championnats du monde en 1958, terminant 13e. Deux ans plus tard, ils ont participé à leurs premiers Jeux olympiques, se classant 9e. En 1962, ils montent pour la première fois sur le podium des Championnats du monde, où ils obtiennent la médaille d’argent. Ils sont le premier couple de l’Union soviétique ou de la Russie à remporter une médaille mondiale depuis l’introduction de la discipline aux Championnats du monde de 1908 (qui ne comptaient que trois couples). Ils ont également remporté l’argent aux Championnats d’Europe, devenant ainsi le deuxième couple soviétique à remporter des médailles après Nina Zhuk / Stanislav Zhuk (qui ont remporté l’argent de 1958 à 1960).
La première grande médaille d’or internationale de Belousova et Protopopov a eu lieu aux Jeux olympiques d’hiver de 1964. C’était la première médaille d’or olympique en couple pour l’Union soviétique. Belousova et Protopopov ont entamé la série de quarante ans de médailles d’or soviétiques/russes en patinage en couple, la plus longue de l’histoire des sports olympiques, de 1964 à 2006.
Belousova et Protopopov ont remporté leurs premières médailles d’or mondiales et européennes en 1965 et, ce faisant, sont également devenus le premier couple soviétique/russe à remporter ces titres.
Ils sont devenus champions olympiques pour la deuxième fois aux Jeux olympiques d’hiver de 1968. À 32 et 35 ans, respectivement, ils étaient parmi les plus vieux champions du patinage artistique.
La saison suivante, ils ont remporté la médaille d’argent aux Championnats d’Europe et le bronze aux Championnats du monde, alors qu’Irina Rodnina commençait son règne avec son premier partenaire, Alexei Ulanov. Ce furent les dernières apparitions du couple dans les grandes compétitions internationales, mais ils continueront à concourir au sein de l’Union soviétique jusqu’en 1972.
Au total, Belousova et Protopopov ont remporté deux titres olympiques et ont également gagné huit fois des médailles aux Championnats du monde et d’Europe, dont quatre médailles d’or mondiales et européennes consécutives. Après s’être retirés de la compétition, ils ont patiné dans des spectacles et continuent de le faire. En septembre 2015, ils ont renouvelé leur longue tradition de patinage lors d’une exposition caritative à Boston, dans le Massachusetts, appelée « Evening with Champions ».
Belousova et Protopopov ont contribué au développement du patinage en couple, notamment en introduisant trois spirales de la mort – la spirale arrière intérieure (BIDS), la spirale avant intérieure (FIDS) et la spirale avant extérieure (FODS), qu’ils ont surnommées respectivement la spirale cosmique, la spirale de la vie et la spirale de l’amour. Dick Button a déclaré : « Les Protopopov sont de grands patineurs non seulement parce qu’ils étaient les meilleurs des champions olympiques, mais aussi parce que leur impact créatif était extraordinaire. »
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