首次使用氢能、抗10级强风……揭秘冬奥会火炬“飞扬”背后的高科技原创2022-02-13 13:23·央视新闻本届冬奥会，科技和绿色是两大主题，无论场馆建设、赛事组织、设备设施，方方面面都无不体现这两大主题。火炬，是最具冬奥特征的标志之一，本届冬奥会火炬，首次实现了冬奥会历史上火炬的零碳排放。冬奥会火炬有哪些高科技？又是如何实现零排放的呢？走近火炬“飞扬”↓清洁能源 点燃冬奥火炬“飞扬”是本次冬奥会使用的手持式火炬名称，它采用氢气作为燃料，是世界首套高压储氢火炬，实现了冬奥会历史上火炬的零碳排放。航天科技集团六院101所所长 王成刚：整个是火炬的内核，我们称之为氢芯。这一部分是我们的气瓶，铝合金内胆，碳纤维缠绕主要是考虑到安全性，它的承压能力要达到42兆帕。应该属于高压的范畴了，必须要把储存在气瓶里的氢气要给减压到常压的状态，这是我们航天的专有技术。氢气绿色环保，但易燃、易爆、易泄漏，之前的历届冬奥会还没有成功使用氢气作为火炬燃料的先例。为了契合冬奥会手持火炬曲面外壳设计，在内部空间十分有限的情况下，科研人员做了大胆地创新，采用了针对性设计和轻量化技术，对整套燃烧系统进行了“瘦身”，腾出空间确保有足够的燃料储存量。与此同时，为了确保火炬燃烧过程的高可靠性，科研人员使用了航天的设计理念。航天科技集团六院北京11所冬奥火炬项目控氢阀技术负责人 郑晓东：我们设计的时候，它的强度都是几倍的安全余量。完全按照我们航天可靠性这套理念做了比较充分的试验，跟我们去搞（火箭）发动机有点像了，该有的功能、该有的安全性一个都不能少。火炬不惧严寒 无畏雨雪利用火箭的技术来做火炬，这还真挺新鲜的，这样做出来的火炬可靠吗？带着这样的疑问，总台央视记者专门去实地探访了火炬的试验过程。总台央视记者 李宁：为了确保冬奥会火炬的高可靠性，在航天科技集团六院专门为火炬搭建了试验基地。试验已经开始了，我们可以在这里非常明显地感受到风雨交加的感觉，现在的风速大概是65公里每小时，也就是八级风左右。冬奥会手持火炬要进行多次传递，在传递期间可能会遭遇极端天气，为了让火炬在面对恶劣环境的时候依然能够保持稳定，科研人员模拟了大风、大雨、低温等多种特殊气候环境，进行了300多次的各种工况的试验，最终保证了火炬的高可靠性。航天科技集团六院101所所长 王成刚：我们火炬在测试过程中技术提出的指标只要满足8级风就可以了，我们测试的极限要求做到了10级大风。海拔条件测试要求4000米，我们测试到了5000米。除此之外，试验还进行了火炬手恶劣气候条件下的运动模拟，全覆盖火炬传递过程中的各种运动状态。经过千锤百炼，“飞扬”在10级强风、零下40摄氏度低温、暴雨以及5000米高海拔等环境下的燃烧状态都十分稳定。即便这样，科研人员还是不放心，在每支火炬出厂前，还有一项测试。航天科技集团六院101所所长 王成刚：在每一个火炬装配完成之后，我们进行一个10秒的验证，考核火炬整个性能。所以这一次火炬传递过程中，每一个火炬都得到了完美的展现。为火焰塑形 确保火焰飘逸灵动经过严苛的极端试验，火炬的可靠性得到了保证。但与此同时，科研人员又面临了一个新的挑战，如何让火焰的造型更优美？由于储氢罐的压力非常大，直接点燃之后，火焰会像火箭发动机喷射出的尾焰形态一样猛烈，不但不安全，还缺乏火焰燃烧的飘逸美感，而奥运火炬燃烧出的火焰需要有特定的高度和形态，才能保证流动飘逸的美感。安装在气瓶口的组合阀门——控氢阀中有一个叫作减压阀的部件，这个正是能决定火焰美妙形态的关键部件。航天科技集团六院北京11所冬奥火炬项目技术负责人 刘悦：我们减压阀现在的尺寸只有原来的2/3，它把三部分给耦合在一起了。氢气燃烧很快，火焰出来之后，它比较直，不飘动不灵动。我们减压阀（减压）后的压力是多少，直接会影响它的火焰造型。刘悦介绍，控氢阀可以将氢气的压力从42兆帕的高压转化为约1000帕的低压，这样就控制了火焰燃烧的范围，而飘动的造型就需要火炬中的燃烧器来完成。航天科技集团六院北京11所冬奥火炬项目技术负责人 刘悦：火焰最后的要求它是阶梯状的，中心要高一点。这完全是3D打印出来的一个造型，弯制是弯不出来造型和方向的。给火焰上色 为了美美地“飞扬”解决了可靠性的问题，又给火焰打造了一个完美的造型，这下应该大功告成了吧？然而并没有，接下来，还有一个需要解决的重要问题，那就是给火焰上色。由于氢气的特性，在空气中燃烧呈现出淡蓝色火焰，在自然环境下几乎无法用肉眼看到。为了实现火焰的可视性，就要找出让火焰显示颜色的方法。研制人员为了实现火焰着色，尝试了很多方法，甚至在家里煤气灶上做起了试验，这才有了现在稳定可视的火炬火焰。航天科技集团六院北京11所冬奥火炬项目技术负责人 刘悦：开始虽然有些原理性的知识，但是你还是要做测试，在家里就开始试，找各种各样的，起码原理上是靠谱的。通过一遍遍的试验，科研人员研制出几十种火焰颜色，再经过大量对比之后，最终选定了我们现在看到的偏黄一点的火炬火焰颜色。确定颜色后，接下来要解决的重要问题之一，就是如何将显色剂涂装，才能保证连续5分钟的焰色反应。航天科技集团六院北京11所冬奥火炬项目技术负责人 刘悦：它是通过一种溶剂，把焰色剂配方溶解到一起以后，把它变黏稠，然后慢慢地刷到表面上。差不多是这个位置。记者：涂多少是不是也得（做试验）？航天科技集团六院北京11所冬奥火炬项目技术负责人 刘悦：是，也得做试验，现在像我们手持式火炬5分钟可靠性是一点问题也没有的，再多几倍也没关系。扫描下图二维码看更多新闻
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