奧運(yùn)會(huì)火炬一直都備受矚目，這次北京冬奧會(huì)有手持火炬、主火炬、場(chǎng)外火炬三種。

　　據(jù)航天科技集團(tuán)六院專家介紹，為適應(yīng)奧運(yùn)火炬綠色環(huán)保、清潔的發(fā)展趨勢(shì)以及科技奧運(yùn)的發(fā)展方向，這次全部采用氫氣作為燃料。雖然2020年夏季奧運(yùn)會(huì)上日本已首次采用了氫為燃料的火炬，但這次采用的是高壓儲(chǔ)氫火炬，也是世界首套高壓儲(chǔ)氫火炬，首次實(shí)現(xiàn)了冬奧會(huì)歷史上火炬的零碳排放。

　　奧運(yùn)火炬從最初的鎂塊，逐漸演化成丙烷，再到本屆冬奧會(huì)的無(wú)污染零碳排放的氫氣，充分體現(xiàn)了這屆冬奧會(huì)的綠色環(huán)保和科技理念，體現(xiàn)了我國(guó)的科技實(shí)力。

　　為了用氫氣做燃料，總部位于西安的航天科技集團(tuán)六院11所(京)和六院101所組成的六院火炬研制團(tuán)隊(duì)用兩年時(shí)間攻克了一個(gè)又一個(gè)難關(guān)，在奧運(yùn)會(huì)火炬的歷史上畫上了濃墨重彩的一筆。

　　1、手持火炬：無(wú)懼零下40℃低溫和十級(jí)狂風(fēng)

　　作為奧運(yùn)會(huì)前最重要儀式之一的奧運(yùn)圣火傳遞，要穿越高山，穿越不同環(huán)境的城市，經(jīng)歷冬季特有的低溫、大風(fēng)，甚至是雨雪交加的情況。在這樣的環(huán)境下火炬是怎么做到不熄滅的呢?六院專家介紹，這和手持火炬的內(nèi)部核心裝置有關(guān)。

　　本屆冬奧會(huì)的手持火炬真正體現(xiàn)了外殼藝術(shù)性，內(nèi)核技術(shù)性的特點(diǎn)。因?yàn)闅錃怆m然綠色環(huán)保無(wú)污染，但也存在易爆炸、易泄露、泄露時(shí)無(wú)色無(wú)味不好發(fā)現(xiàn)的“缺點(diǎn)”。而要達(dá)到5分鐘穩(wěn)定燃燒，也需要很強(qiáng)的技術(shù)性。手持火炬采用高壓儲(chǔ)氫方案，內(nèi)核由三部分組成，從底部到頂部分別是氣瓶、控氫閥和燃燒器。其中，控氫閥和燃燒器都是由六院11所(京)攻關(guān)研制，氣瓶(氫燃料儲(chǔ)存裝置)則由六院101所研制。在攻關(guān)過(guò)程中，六院研制團(tuán)隊(duì)解決了氫火焰可視性、復(fù)雜曲面適應(yīng)性、大比例減壓、氫安全利用、氫燃料儲(chǔ)存等多個(gè)難題，讓世界首套的高壓儲(chǔ)氫火炬具有了優(yōu)秀的環(huán)境適應(yīng)性能。

　　控氫閥是安裝在氣瓶口的一種組合閥門，作用主要是將氣瓶?jī)?nèi)的高壓氫氣減壓穩(wěn)壓到需求的出口壓力，配備瓶口閥允許氣瓶充氣，防止氣瓶排氣，并且自帶開關(guān)，能控制氣瓶通氣和斷氣。研制團(tuán)隊(duì)為了讓控氫閥能適應(yīng)北方冬季寒冷的氣候，讓控氫閥接受了-30℃的考驗(yàn)。同時(shí)為配合“飛揚(yáng)”充滿生機(jī)的流線外表以及飛揚(yáng)的火焰外形，在有限的空間和重量要求下，還對(duì)控氫閥進(jìn)行了“瘦身”，騰出空間給氣瓶確?；鹧娴拇罅髁?。為保證可靠性，控氫閥在設(shè)計(jì)出廠時(shí)經(jīng)過(guò)了氣密封試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)、水壓試驗(yàn)等等十七八種、上百次試驗(yàn)。

　　火炬能在各種環(huán)境下燃燒，離不開燃燒器。設(shè)計(jì)燃燒器的時(shí)候，研制團(tuán)隊(duì)首先要滿足“飛揚(yáng)”復(fù)雜曲面特征的結(jié)構(gòu)要求、火焰形態(tài)及火焰穩(wěn)定性的要求。為了滿足這些要求，研制團(tuán)隊(duì)把燃燒器依據(jù)曲面造型的要求進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立燃燒器噴口直徑、噴口流量與火焰形態(tài)的關(guān)系，并以此控制火焰的形態(tài)。同時(shí)，在給燃燒器建立火焰穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)方法時(shí)，巧妙的利用飛揚(yáng)的曲面，構(gòu)建了一種鈍體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，把火焰根部很好的保護(hù)起來(lái)，降低了外界環(huán)境對(duì)燃燒的影響。因?yàn)闅錃馊紵龝r(shí)火焰是無(wú)色，所以燃燒器的出口處也經(jīng)過(guò)了特殊設(shè)計(jì)。六院研制團(tuán)隊(duì)在出口處給燃燒器安裝了一件格柵，在這個(gè)格柵表面噴涂堿金屬，通過(guò)把溫度提高到650℃以上，實(shí)現(xiàn)焰色可視性。這種基于焰色反應(yīng)原理的氫氣火焰顏色控制方法是研發(fā)團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新打造，通過(guò)配方和涂裝方法可以實(shí)現(xiàn)不同顏色的火焰。

　　隨著研制團(tuán)隊(duì)對(duì)技術(shù)的不斷迭代優(yōu)化和多次嚴(yán)密的火炬測(cè)試，火炬經(jīng)過(guò)了嚴(yán)苛的考驗(yàn)，能夠經(jīng)受各種極端條件的挑戰(zhàn)，不懼天氣變化、海拔高度和意外掉落。本屆冬奧會(huì)的火炬通過(guò)火炬綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試?；鹁嬖诘蜏?40℃的極寒環(huán)境、直面時(shí)速高達(dá)100km/h的十級(jí)狂風(fēng)、行進(jìn)中50mm/h的雨雪天氣等情況下經(jīng)受了測(cè)試。此外，火炬還從2米高的高度被丟向地面，并在陣風(fēng)時(shí)速超過(guò)65km/h的模擬環(huán)境中經(jīng)受了5000m以上的高海拔測(cè)試。為了完成這一系列的測(cè)試，研制團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了300多次的可靠性試驗(yàn)。

　　2、主火炬：“微火+顯屏”的創(chuàng)意形式，實(shí)現(xiàn)“火”與“舞美”完美融合

　　六院專家介紹，本屆冬奧會(huì)上的主火炬與以往歷屆主火炬在視覺(jué)效果上有很大差別，因?yàn)檠兄茍F(tuán)隊(duì)采用的是“微火+顯屏”創(chuàng)意形式，利用懸掛在威亞上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和地面裝置的流暢配合完成主火炬在40米高空的360度旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了“火”與“舞美”的完美融合。

　　另外這次和以往的主火炬相比還有一個(gè)很大的不一樣：那就是最后一棒的火炬手并沒(méi)有去點(diǎn)火，而是直接把手持火炬插接在了主火炬身上，實(shí)現(xiàn)了火焰的無(wú)縫連接，沒(méi)有引燃的過(guò)程。這樣的點(diǎn)火方式是奧運(yùn)會(huì)歷史上百年首創(chuàng)，達(dá)到了節(jié)能的效果，與以往熊熊燃燒的火炬相比，比它們大約節(jié)省了99.9%的能量，充分體現(xiàn)了低碳環(huán)保的理念，體現(xiàn)了中國(guó)人的文化自信。

　　主火炬的造型是由小雪花和橄欖枝組成。每一片小雪花、每一個(gè)枝頭上都是采用全彩LED 直顯屏，每一個(gè)發(fā)光點(diǎn)的顏色、亮度都是可以獨(dú)立控制的，4.8mm的出光點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了燈光圖案細(xì)膩的多彩變化。

　　要實(shí)現(xiàn)這么高的顏值，是需要過(guò)硬的技術(shù)支撐的。研制團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)的時(shí)候 “斤斤計(jì)較”，既要展現(xiàn)主火炬的輕盈，又要實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在材料的選擇上選用鋁合金材質(zhì)，重量只有鋼材質(zhì)的1/3，實(shí)現(xiàn)了輕量化的要求。同時(shí)，為了達(dá)到8小時(shí)360度旋轉(zhuǎn)時(shí)高效穩(wěn)定的燃燒，采用了航天氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒技術(shù)，有大國(guó)重器上的高端技術(shù)加持，保證了主火炬不熄火、不回火、不脫火。

　　主火炬的頭頂上有一個(gè)長(zhǎng)方形的黑色盒子，這個(gè)黑盒子叫姿態(tài)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它吊掛在威亞小車上，由小車帶著它移動(dòng)到中心位置，放下鋼絲繩和電纜與主火炬相連，通過(guò)先進(jìn)的姿態(tài)控制技術(shù)，配合地面裝置完成我一系列的翻轉(zhuǎn)、提升和旋轉(zhuǎn)。姿態(tài)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)里面藏著燃料供應(yīng)系統(tǒng)的氫氣滑環(huán)、柔性軟管和撬裝氫氣系統(tǒng)。被稱為“生命之管”的軟管作用就是將氣瓶中的氫氣輸送到火炬中心，支撐主火炬的燃燒?；h(huán)的作用是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下氫氣的連續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)。撬裝氫氣系統(tǒng)是一個(gè)集成系統(tǒng)，內(nèi)含氣罐、兩路減壓系統(tǒng)、電磁閥，主要作用是實(shí)現(xiàn)氣體的穩(wěn)定供應(yīng)。

　　在設(shè)計(jì)這個(gè)黑盒子時(shí)，研制團(tuán)隊(duì)通過(guò)應(yīng)用氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)氫燃料加注及推進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了可卷伸氫氣管道、可卷伸電纜、可卷伸控制線纜和快速對(duì)接裝置，實(shí)現(xiàn)氫、電、控制信號(hào)在特殊表演場(chǎng)景下的連續(xù)、穩(wěn)定、可靠供應(yīng)與傳輸，和著主火炬的節(jié)拍一起上下伸展。

　　在主火炬的腳下，還有一個(gè)國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的高科技舞臺(tái)秀作品——地面裝置。隱藏在舞臺(tái)中的它，在需要的時(shí)候可以把主火炬翻轉(zhuǎn)45°，在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中臺(tái)階踏步機(jī)構(gòu)橫空而起，將主火炬和地面連接起來(lái)。

　　研制團(tuán)隊(duì)充分發(fā)揮航天工程研發(fā)管理經(jīng)驗(yàn)，開展了故障模式、影響及危害性分析和故障樹分析，關(guān)鍵環(huán)節(jié)冗余設(shè)計(jì)，通過(guò)全流程綜合試驗(yàn)測(cè)試，解決了柔性環(huán)境條件下的運(yùn)動(dòng)控制、長(zhǎng)周期穩(wěn)定燃燒、減穩(wěn)壓控制、安全應(yīng)用等難題，實(shí)現(xiàn)了主火炬復(fù)雜系統(tǒng)的安全可靠使用。

　　3、場(chǎng)外火炬：內(nèi)外雙轉(zhuǎn)臺(tái)相互支撐，完成各自獨(dú)立旋轉(zhuǎn)和同步旋轉(zhuǎn)

　　六院專家介紹，場(chǎng)外火炬是“三胞胎”，分布在各場(chǎng)館外。

　　觀眾看到的是飄帶和雪花，實(shí)際上在地面下還有一個(gè)隱藏的與場(chǎng)內(nèi)的主火炬完全不一樣的轉(zhuǎn)臺(tái)裝置，以帶動(dòng)形成內(nèi)外不同的旋轉(zhuǎn)效果，呈現(xiàn)出視覺(jué)上的美感。

　　轉(zhuǎn)臺(tái)裝置最關(guān)鍵的兩部分是外轉(zhuǎn)臺(tái)和內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)。場(chǎng)外火炬的飄帶是安裝在外轉(zhuǎn)臺(tái)上的，它會(huì)隨著外轉(zhuǎn)臺(tái)一起旋轉(zhuǎn);而場(chǎng)外火炬的主火炬雪花是安裝在內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)上的，它隨著內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)一起旋轉(zhuǎn)。這樣的雙轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)一個(gè)中間構(gòu)件相互支撐完成各自的獨(dú)立旋轉(zhuǎn)和同步旋轉(zhuǎn)，這也是目前市場(chǎng)上的首例。

　　正是這種種技術(shù)支持，保障了以氫氣為燃料的火炬完美亮相。同樣承載著“更快、更高、更強(qiáng)、更團(tuán)結(jié)”的奧運(yùn)精神的氫燃料火炬，在世界人民面前再一次展示了中國(guó)的科技實(shí)力，向世界廣泛傳播了綠色奧運(yùn)、科技奧運(yùn)的理念，翻開了體育史乃至科技史上的嶄新篇章。

　　華商報(bào)記者 馬虎振 通訊員 馬麗娜(中國(guó)航天科技集團(tuán)公司六院供圖)