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燃料是氫外衣也輕冬奧火炬“氫舞飛揚(yáng)”暗藏這些黑科技

來源：中國科技網(wǎng) 2022-02-04 06:12:32

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2月2日，神圣的北京冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)火炬?zhèn)鬟f活動(dòng)正式開始。冰火相約，氫舞飛揚(yáng)。中空開放的形態(tài)、純氫燃燒零碳排放、內(nèi)外飄帶纏繞、碳纖維材料首次應(yīng)用……所有元素統(tǒng)一于火炬這個(gè)光明而充滿生機(jī)的意象，讓人不得不稱贊，“飛揚(yáng)”火炬真是集“科技”與“美貌”于一身！

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“飛揚(yáng)”火炬暗藏哪些黑科技？科技日報(bào)記者專訪科技冬奧重點(diǎn)專項(xiàng)“冬奧會(huì)手持火炬關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、航天科技集團(tuán)六院11所（京）熱能工程（節(jié)能環(huán)保）事業(yè)部總經(jīng)理宋曉峰，為大家揭秘北京冬奧會(huì)火炬“飛揚(yáng)”背后的科技含量！

科技日報(bào)記者：奧運(yùn)圣火是奧林匹克精神的象征，圣火傳遞則是奧運(yùn)會(huì)召開最重要的儀式之一。2022年北京冬奧會(huì)火炬“飛揚(yáng)”在外觀、結(jié)構(gòu)、功能等方面有哪些獨(dú)特的創(chuàng)新之處？

宋曉峰：當(dāng)我們看到火炬“飛揚(yáng)”時(shí)，最吸引大家的應(yīng)該是它絢麗的外觀和驚艷的設(shè)計(jì)。火炬的“高顏值”與它動(dòng)感的造型關(guān)系密切，它是由兩條“飄帶”組成，銀白色的部分被稱作外飄帶，紅色的部分被稱作內(nèi)飄帶，兩條飄帶相互纏繞，向上飄舞，激情昂揚(yáng)！

很多觀眾第一次見“飛揚(yáng)”火炬都會(huì)納悶兒，造型上看并沒有出火口，火焰是從哪里冒出來的？答案就在內(nèi)外飄帶的間隙里?；鹁嬖谠O(shè)計(jì)時(shí)有一個(gè)浪漫的想法，火焰的造型作為火炬外形的延伸與火炬完美融合在一起。除此之外，還有一個(gè)引人注目的特點(diǎn)是，“飛揚(yáng)”火炬采用的燃料不是傳統(tǒng)燃料丙烷，而是氫燃料，可以說“外有顏值，內(nèi)有科技”。

科技日報(bào)記者：北京冬奧會(huì)火炬?zhèn)鬟f時(shí)天氣嚴(yán)寒，各賽區(qū)不僅寒冷多風(fēng)，還有可能遇到降雪天氣。請問“飛揚(yáng)”火炬燃燒系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)抗拒風(fēng)雪的同時(shí)還能達(dá)到燃燒穩(wěn)定、外形美觀？

宋曉峰：冬奧會(huì)與夏奧會(huì)不同，火炬工作的環(huán)境溫度很低，我們選用的高壓儲(chǔ)氫方案，具有天然的低溫優(yōu)勢，能夠保證火炬在低溫環(huán)境下穩(wěn)定釋放氫氣。

在延慶賽區(qū)、張家口賽區(qū)，火炬?zhèn)鬟f時(shí)的溫度有可能達(dá)到-20攝氏度甚至更低。為保證火炬?zhèn)鬟f萬無一失，設(shè)計(jì)之初我們就提出在極限低溫-40攝氏度時(shí)火炬燃料依舊能穩(wěn)定燃燒的要求，這是合金儲(chǔ)氫方案、丙烷燃料方案所無法很好適應(yīng)的。

高壓儲(chǔ)氫雖然工藝難度更大，但是我們在研發(fā)過程中做了大量實(shí)驗(yàn)，將極易飄逸、極易擴(kuò)散、極易泄露的氫燃料“馴服”在儲(chǔ)氣瓶內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了氫燃料在燃燒過程中的安全釋放，最終保證氫燃料在低溫環(huán)境下穩(wěn)定燃燒。

而且，“飛揚(yáng)”火炬的外形曲面復(fù)雜，火焰造型作為火炬外形的延伸，被強(qiáng)加了很多限制，我們提出采用曲面格柵結(jié)構(gòu)作為穩(wěn)焰措施，既兼顧了外形設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意，又達(dá)到穩(wěn)定燃燒的目的。

大量可靠性測試顯示，高壓儲(chǔ)氫方案不但能夠保證火炬在100公里/小時(shí)的風(fēng)速、50毫米/小時(shí)的雨雪天氣下保持穩(wěn)定燃燒（即能抗10級大風(fēng)），而且火焰的飄動(dòng)性、飄逸性也能得到完美體現(xiàn)。

科技日報(bào)記者：氫燃料的使用有一個(gè)“顯而易見”的弊端，強(qiáng)光照射下火炬的火焰是“透明”的，這將嚴(yán)重影響火炬?zhèn)鬟f的觀感。請問團(tuán)隊(duì)是如何成功為火焰“上色”，又通過哪些設(shè)計(jì)與技術(shù)手段保障火炬燃料的安全性？

宋曉峰：的確，氫火焰在陽光照射狀態(tài)下，火焰是透明的，我們只能看到熱氣流的折射現(xiàn)象。為了給火焰加顏色，團(tuán)隊(duì)費(fèi)了很多周折。我們選擇焰色反應(yīng)作為實(shí)現(xiàn)火焰顏色改變的技術(shù)手段。焰色反應(yīng)的原理是“電子躍遷”的能量以光的形式釋放出來，這個(gè)過程是物理過程，不是化學(xué)過程，不會(huì)有新的物質(zhì)產(chǎn)生，也不會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的污染，這與我們利用清潔能源的愿景是一致的。

完成這個(gè)“變魔術(shù)”般的物理過程，需要兩個(gè)前提。第一，尋找一種合適的焰色反應(yīng)劑配方，能夠?qū)崿F(xiàn)較為明顯的焰色改變，使火焰呈現(xiàn)黃色；第二，探索更為合適的反應(yīng)劑加載方式，能夠使反應(yīng)的加載工藝便利、易于實(shí)現(xiàn)，抗雨水沖刷能力。我們測試了大量的堿金屬配方，最終將注意力集中在以鈉鹽為基礎(chǔ)的配方上，實(shí)現(xiàn)了通過焰色明亮、加載工藝簡單、抗雨水沖刷能力好的焰色改變技術(shù)。

手持火炬的安全性由儲(chǔ)氫裝置安全性、氫密封能力、火炬整體安全性三個(gè)維度組成。

火炬的氫燃料放置在一個(gè)小氣瓶中，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)受限，一定要做到高壓，不然氫氣儲(chǔ)存量不足，火炬燃燒的時(shí)間就達(dá)不到要求。為此，團(tuán)隊(duì)專門制定了針對性的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并通過國家評標(biāo)委評審。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定嚴(yán)格執(zhí)行了水壓試驗(yàn)、爆破試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、火燒試驗(yàn)等十余項(xiàng)測試，以保證儲(chǔ)氫裝置的安全性。

而且，氫氣難以進(jìn)行密封，我們團(tuán)隊(duì)在氫密封方面做了大量工作，能夠保證瓶口閥的氫泄漏率≤0.2mg/h（即每小時(shí)小于0.2毫克），這意味著即使在一個(gè)相對較小的空間內(nèi)，氫氣的爆炸濃度也達(dá)不到它的爆炸極限，如此低的泄漏率給火炬的安全存放和運(yùn)輸提供了保障。

此外，火炬整體安全如何考量？答案是，在綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，包括低溫、風(fēng)、雨雪、高海拔等使用環(huán)境的測試，也包含跌落、倒置、大幅輪轉(zhuǎn)等安全性測試。所有測試通過，才能確保冬奧會(huì)手持火炬安全可靠。

科技日報(bào)記者：手持火炬的個(gè)頭不大，存放燃料的空間更加有限，請問我們在內(nèi)部設(shè)計(jì)中，是如何保障燃料夠用？

宋曉峰：火炬外形設(shè)計(jì)力求“苗條”，這極大地壓縮了內(nèi)部燃料的儲(chǔ)存空間，需要整個(gè)燃燒系統(tǒng)全面改進(jìn)。初次的匹配結(jié)果讓團(tuán)隊(duì)很有壓力，燃料儲(chǔ)存的空間根本不能滿足燃燒5分鐘的有效傳遞時(shí)間。

怎么辦？我們?nèi)紵到y(tǒng)團(tuán)隊(duì)的工程師放棄假期、加班加點(diǎn)迭代圖紙，不放過任何1mm的尺寸縮減，最終我們突破此前設(shè)計(jì)的極限，把燃燒系統(tǒng)的總體尺寸縮減了1/3，為完成匹配打下基礎(chǔ)。

科技日報(bào)記者：據(jù)了解，飛揚(yáng)火炬的外殼是用碳纖維與樹脂形成的復(fù)合材料制作而成，也是世界首創(chuàng)。為什么要選擇這種材料制作火炬，它給火炬帶來了哪些優(yōu)越性？為什么碳纖維材料的火炬外殼不懼高溫？

宋曉峰：密度只有鋼的1/4，強(qiáng)度卻是鋼的6至7倍，輕而強(qiáng)是碳纖維最大的特點(diǎn)。整個(gè)手持火炬的內(nèi)部有儲(chǔ)氫罐、減壓閥、復(fù)雜的燃燒系統(tǒng)以及格柵等裝置，它本身的重量與儲(chǔ)存氫氣的重量疊加以后，都要包腹在內(nèi)飄帶里，如果外殼再用常規(guī)材料的話，整體重量就會(huì)大大增加，這給火炬?zhèn)鬟f帶來不好的體驗(yàn)。

氫火炬在燃燒時(shí)，火焰溫度是很高的，經(jīng)測試，火炬燃燒狀態(tài)時(shí)，殼體表面最高溫度大約為650℃。而“飛揚(yáng)”火炬的外殼采用碳纖維復(fù)合材料，這是前所未有的創(chuàng)新與嘗試，首先要攻克的難題是碳纖維在有氧環(huán)境下的耐高溫問題。

碳纖維本身可以耐高溫，但在有氧環(huán)境下，高溫的碳纖維會(huì)與氧氣產(chǎn)生燃燒反應(yīng)，這是一件很棘手的難題。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的碳纖維專家提出了采用陶瓷基前驅(qū)體作為基體樹脂及陶瓷化成型技術(shù)，使樹脂能在高溫條件下可轉(zhuǎn)化為“陶瓷”，使火炬碳纖維外殼在規(guī)定燃燒時(shí)間內(nèi)不燃燒，最終達(dá)到輕質(zhì)、耐燃燒的目的。測試結(jié)果顯示，處理后的碳纖維能夠耐800℃甚至更高的高溫火焰灼燒，而且，高溫只在火焰口袋的幾百毫米范圍內(nèi)，火炬的其他部位并無變化。

其次，為了適應(yīng)復(fù)雜的火炬曲面外形，碳纖維外殼采用了先進(jìn)的三維立體編制成型技術(shù)，變厚度三維自動(dòng)編制技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，該技術(shù)制備的復(fù)合材料相較于傳統(tǒng)編制技術(shù)具有更好的整體性。

關(guān)鍵詞： IT 與體育燃料是氫外衣也輕冬奧火炬“氫舞飛揚(yáng)”暗藏