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首次使用氫能、抗10級(jí)強(qiáng)風(fēng)……揭秘冬奧會(huì)火炬“飛揚(yáng)”背后的高科技

2022-02-13 13:32:10來(lái)源：?央視新聞客戶(hù)端  

本屆冬奧會(huì)，科技和綠色是兩大主題，無(wú)論場(chǎng)館建設(shè)、賽事組織、設(shè)備設(shè)施，方方面面都無(wú)不體現(xiàn)這兩大主題。火炬，是最具冬奧特征的標(biāo)志之一，本屆冬奧會(huì)火炬，首次實(shí)現(xiàn)了冬奧會(huì)歷史上火炬的零碳排放。冬奧會(huì)火炬有哪些高科技？又是如何實(shí)現(xiàn)零排放的呢？走近火炬“飛揚(yáng)”↓

清潔能源 點(diǎn)燃冬奧火炬

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“飛揚(yáng)”是本次冬奧會(huì)使用的手持式火炬名稱(chēng)，它采用氫氣作為燃料，是世界首套高壓儲(chǔ)氫火炬，實(shí)現(xiàn)了冬奧會(huì)歷史上火炬的零碳排放。

航天科技集團(tuán)六院101所所長(zhǎng) 王成剛：整個(gè)是火炬的內(nèi)核，我們稱(chēng)之為氫芯。這一部分是我們的氣瓶，鋁合金內(nèi)膽，碳纖維纏繞主要是考慮到安全性，它的承壓能力要達(dá)到42兆帕。應(yīng)該屬于高壓的范疇了，必須要把儲(chǔ)存在氣瓶里的氫氣要給減壓到常壓的狀態(tài)，這是我們航天的專(zhuān)有技術(shù)。

氫氣綠色環(huán)保，但易燃、易爆、易泄漏，之前的歷屆冬奧會(huì)還沒(méi)有成功使用氫氣作為火炬燃料的先例。為了契合冬奧會(huì)手持火炬曲面外殼設(shè)計(jì)，在內(nèi)部空間十分有限的情況下，科研人員做了大膽的創(chuàng)新，采用了針對(duì)性設(shè)計(jì)和輕量化技術(shù)，對(duì)整套燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了“瘦身”，騰出空間確保有足夠的燃料儲(chǔ)存量。與此同時(shí)，為了確?；鹁嫒紵^(guò)程的高可靠性，科研人員使用了航天的設(shè)計(jì)理念。

航天科技集團(tuán)六院北京11所冬奧火炬項(xiàng)目控氫閥技術(shù)負(fù)責(zé)人 鄭曉東：我們?cè)O(shè)計(jì)的時(shí)候，它的強(qiáng)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(yàn)，跟我們?nèi)ジ悖ɑ鸺┌l(fā)動(dòng)機(jī)有點(diǎn)像了，該有的功能、該有的安全性一個(gè)都不能少。

火炬不懼嚴(yán)寒 無(wú)畏雨雪

利用火箭的技術(shù)來(lái)做火炬，這還真挺新鮮的，這樣做出來(lái)的火炬可靠嗎？帶著這樣的疑問(wèn)，總臺(tái)央視記者專(zhuān)門(mén)去實(shí)地探訪了火炬的試驗(yàn)過(guò)程。

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總臺(tái)央視記者 李寧：為了確保冬奧會(huì)火炬的高可靠性，在航天科技集團(tuán)六院專(zhuān)門(mén)為火炬搭建了試驗(yàn)基地。試驗(yàn)已經(jīng)開(kāi)始了，我們可以在這里非常明顯地感受到風(fēng)雨交加的感覺(jué)，現(xiàn)在的風(fēng)速大概是65公里每小時(shí)，也就是八級(jí)風(fēng)左右。

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

航天科技集團(tuán)六院101所所長(zhǎng) 王成剛：我們火炬在測(cè)試過(guò)程中技術(shù)提出的指標(biāo)只要滿(mǎn)足8級(jí)風(fēng)就可以了，我們測(cè)試的極限要求做到了10級(jí)大風(fēng)。海拔條件測(cè)試要求4000米，我們測(cè)試到了5000米。

除此之外，試驗(yàn)還進(jìn)行了火炬手惡劣氣候條件下的運(yùn)動(dòng)模擬，全覆蓋火炬?zhèn)鬟f過(guò)程中的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)千錘百煉，“飛揚(yáng)”在10級(jí)強(qiáng)風(fēng)、零下40攝氏度低溫、暴雨以及5000米高海拔等環(huán)境下的燃燒狀態(tài)都十分穩(wěn)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(xiàng)測(cè)試。

航天科技集團(tuán)六院101所所長(zhǎng) 王成剛：在每一個(gè)火炬裝配完成之后，我們進(jìn)行一個(gè)10秒的驗(yàn)證，考核火炬整個(gè)性能。所以這一次火炬?zhèn)鬟f過(guò)程中，每一個(gè)火炬都得到了完美的展現(xiàn)。

為火焰塑形 確保火焰飄逸靈動(dòng)

經(jīng)過(guò)嚴(yán)苛的極端試驗(yàn)，火炬的可靠性得到了保證。但與此同時(shí)，科研人員又面臨了一個(gè)新的挑戰(zhàn)，如何讓火焰的造型更優(yōu)美？

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由于儲(chǔ)氫罐的壓力非常大，直接點(diǎn)燃之后，火焰會(huì)像火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴射出的尾焰形態(tài)一樣猛烈，不但不安全，還缺乏火焰燃燒的飄逸美感，而奧運(yùn)火炬燃燒出的火焰需要有特定的高度和形態(tài)，才能保證流動(dòng)飄逸的美感。安裝在氣瓶口的組合閥門(mén)——控氫閥中有一個(gè)叫作減壓閥的部件，這個(gè)正是能決定火焰美妙形態(tài)的關(guān)鍵部件。

航天科技集團(tuán)六院北京11所冬奧火炬項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人 劉悅：我們減壓閥現(xiàn)在的尺寸只有原來(lái)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(lái)之后，它比較直，不飄動(dòng)不靈動(dòng)。我們減壓閥（減壓）后的壓力是多少，直接會(huì)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(zhuǎn)化為約1000帕的低壓，這樣就控制了火焰燃燒的范圍，而飄動(dòng)的造型就需要火炬中的燃燒器來(lái)完成。

航天科技集團(tuán)六院北京11所冬奧火炬項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人 劉悅：火焰最后的要求它是階梯狀的，中心要高一點(diǎn)。這完全是3D打印出來(lái)的一個(gè)造型，彎制是彎不出來(lái)造型和方向的。

給火焰上色 為了美美地“飛揚(yáng)”

解決了可靠性的問(wèn)題，又給火焰打造了一個(gè)完美的造型，這下應(yīng)該大功告成了吧？然而并沒(méi)有，接下來(lái)，還有一個(gè)需要解決的重要問(wèn)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(xiàn)出淡藍(lán)色火焰，在自然環(huán)境下幾乎無(wú)法用肉眼看到。為了實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(yàn)，這才有了現(xiàn)在穩(wěn)定可視的火炬火焰。

航天科技集團(tuán)六院北京11所冬奧火炬項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人 劉悅：開(kāi)始雖然有些原理性的知識(shí)，但是你還是要做測(cè)試，在家里就開(kāi)始試，找各種各樣的，起碼原理上是靠譜的。

通過(guò)一遍遍的試驗(yàn)，科研人員研制出幾十種火焰顏色，再經(jīng)過(guò)大量對(duì)比之后，最終選定了我們現(xiàn)在看到的偏黃一點(diǎn)的火炬火焰顏色。

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

航天科技集團(tuán)六院北京11所冬奧火炬項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人 劉悅：它是通過(guò)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(gè)位置。

記者：涂多少是不是也得（做試驗(yàn)）？

航天科技集團(tuán)六院北京11所冬奧火炬項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人 劉悅：是，也得做試驗(yàn)，現(xiàn)在像我們手持式火炬5分鐘可靠性是一點(diǎn)問(wèn)題也沒(méi)有的，再多幾倍也沒(méi)關(guān)系。

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