首次使用氫能、抗10級強風……揭秘冬奧會火炬“飛揚”背后的高科技

2022-02-13 13:32:10來源：?央視新聞客戶端

本屆冬奧會，科技和綠色是兩大主題，無論場館建設、賽事組織、設備設施，方方面面都無不體現這兩大主題。火炬，是最具冬奧特征的標志之一，本屆冬奧會火炬，首次實現了冬奧會歷史上火炬的零碳排放。冬奧會火炬有哪些高科技？又是如何實現零排放的呢？走近火炬“飛揚”↓

清潔能源點燃冬奧火炬

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“飛揚”是本次冬奧會使用的手持式火炬名稱，它采用氫氣作為燃料，是世界首套高壓儲氫火炬，實現了冬奧會歷史上火炬的零碳排放。

航天科技集團六院101所所長王成剛：整個是火炬的內核，我們稱之為氫芯。這一部分是我們的氣瓶，鋁合金內膽，碳纖維纏繞主要是考慮到安全性，它的承壓能力要達到42兆帕。應該屬于高壓的范疇了，必須要把儲存在氣瓶里的氫氣要給減壓到常壓的狀態，這是我們航天的專有技術。

氫氣綠色環保，但易燃、易爆、易泄漏，之前的歷屆冬奧會還沒有成功使用氫氣作為火炬燃料的先例。為了契合冬奧會手持火炬曲面外殼設計，在內部空間十分有限的情況下，科研人員做了大膽的創新，采用了針對性設計和輕量化技術，對整套燃燒系統進行了“瘦身”，騰出空間確保有足夠的燃料儲存量。與此同時，為了確保火炬燃燒過程的高可靠性，科研人員使用了航天的設計理念。

航天科技集團六院北京11所冬奧火炬項目控氫閥技術負責人鄭曉東：我們設計的時候，它的強度都是幾倍的安全余量。完全按照我們航天可靠性這套理念做了比較充分的試驗，跟我們去搞（火箭）發動機有點像了，該有的功能、該有的安全性一個都不能少。

火炬不懼嚴寒無畏雨雪

利用火箭的技術來做火炬，這還真挺新鮮的，這樣做出來的火炬可靠嗎？帶著這樣的疑問，總臺央視記者專門去實地探訪了火炬的試驗過程。

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總臺央視記者李寧：為了確保冬奧會火炬的高可靠性，在航天科技集團六院專門為火炬搭建了試驗基地。試驗已經開始了，我們可以在這里非常明顯地感受到風雨交加的感覺，現在的風速大概是65公里每小時，也就是八級風左右。

冬奧會手持火炬要進行多次傳遞，在傳遞期間可能會遭遇極端天氣，為了讓火炬在面對惡劣環境的時候依然能夠保持穩定，科研人員模擬了大風、大雨、低溫等多種特殊氣候環境，進行了300多次的各種工況的試驗，最終保證了火炬的高可靠性。

航天科技集團六院101所所長王成剛：我們火炬在測試過程中技術提出的指標只要滿足8級風就可以了，我們測試的極限要求做到了10級大風。海拔條件測試要求4000米，我們測試到了5000米。

除此之外，試驗還進行了火炬手惡劣氣候條件下的運動模擬，全覆蓋火炬傳遞過程中的各種運動狀態。

經過千錘百煉，“飛揚”在10級強風、零下40攝氏度低溫、暴雨以及5000米高海拔等環境下的燃燒狀態都十分穩定。即便這樣，科研人員還是不放心，在每只火炬出廠前，還有一項測試。

航天科技集團六院101所所長王成剛：在每一個火炬裝配完成之后，我們進行一個10秒的驗證，考核火炬整個性能。所以這一次火炬傳遞過程中，每一個火炬都得到了完美的展現。

為火焰塑形確保火焰飄逸靈動

經過嚴苛的極端試驗，火炬的可靠性得到了保證。但與此同時，科研人員又面臨了一個新的挑戰，如何讓火焰的造型更優美？

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由于儲氫罐的壓力非常大，直接點燃之后，火焰會像火箭發動機噴射出的尾焰形態一樣猛烈，不但不安全，還缺乏火焰燃燒的飄逸美感，而奧運火炬燃燒出的火焰需要有特定的高度和形態，才能保證流動飄逸的美感。安裝在氣瓶口的組合閥門——控氫閥中有一個叫作減壓閥的部件，這個正是能決定火焰美妙形態的關鍵部件。

航天科技集團六院北京11所冬奧火炬項目技術負責人劉悅：我們減壓閥現在的尺寸只有原來的2/3，它把三部分給耦合在一起了。氫氣燃燒很快，火焰出來之后，它比較直，不飄動不靈動。我們減壓閥（減壓）后的壓力是多少，直接會影響它的火焰造型。

劉悅介紹，控氫閥可以將氫氣的壓力從42兆帕的高壓轉化為約1000帕的低壓，這樣就控制了火焰燃燒的范圍，而飄動的造型就需要火炬中的燃燒器來完成。

航天科技集團六院北京11所冬奧火炬項目技術負責人劉悅：火焰最后的要求它是階梯狀的，中心要高一點。這完全是3D打印出來的一個造型，彎制是彎不出來造型和方向的。

給火焰上色為了美美地“飛揚”

解決了可靠性的問題，又給火焰打造了一個完美的造型，這下應該大功告成了吧？然而并沒有，接下來，還有一個需要解決的重要問題，那就是給火焰上色。

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由于氫氣的特性，在空氣中燃燒呈現出淡藍色火焰，在自然環境下幾乎無法用肉眼看到。為了實現火焰的可視性，就要找出讓火焰顯示顏色的方法。研制人員為了實現火焰著色，嘗試了很多方法，甚至在家里煤氣灶上做起了試驗，這才有了現在穩定可視的火炬火焰。

航天科技集團六院北京11所冬奧火炬項目技術負責人劉悅：開始雖然有些原理性的知識，但是你還是要做測試，在家里就開始試，找各種各樣的，起碼原理上是靠譜的。

通過一遍遍的試驗，科研人員研制出幾十種火焰顏色，再經過大量對比之后，最終選定了我們現在看到的偏黃一點的火炬火焰顏色。

確定顏色后，接下來要解決的重要問題之一，就是如何將顯色劑涂裝，才能保證連續5分鐘的焰色反應。

航天科技集團六院北京11所冬奧火炬項目技術負責人劉悅：它是通過一種溶劑，把焰色劑配方溶解到一起以后，把它變黏稠，然后慢慢地刷到表面上。差不多是這個位置。

記者：涂多少是不是也得（做試驗）？

航天科技集團六院北京11所冬奧火炬項目技術負責人劉悅：是，也得做試驗，現在像我們手持式火炬5分鐘可靠性是一點問題也沒有的，再多幾倍也沒關系。

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