奧運會火炬一直都備受矚目，這次北京冬奧會有手持火炬、主火炬、場外火炬三種。

　　據(jù)航天科技集團(tuán)六院專家介紹，為適應(yīng)奧運火炬綠色環(huán)保、清潔的發(fā)展趨勢以及科技奧運的發(fā)展方向，這次全部采用氫氣作為燃料。雖然2020年夏季奧運會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氫火炬，也是世界首套高壓儲氫火炬，首次實現(xiàn)了冬奧會歷史上火炬的零碳排放。

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

　　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)隊用兩年時間攻克了一個又一個難關(guān)，在奧運會火炬的歷史上畫上了濃墨重彩的一筆。

　　1、手持火炬：無懼零下40℃低溫和十級狂風(fēng)

　　作為奧運會前最重要儀式之一的奧運圣火傳遞，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。因為氫氣雖然綠色環(huán)保無污染，但也存在易爆炸、易泄露、泄露時無色無味不好發(fā)現(xiàn)的“缺點”。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(氫燃料儲存裝置)則由六院101所研制。在攻關(guān)過程中，六院研制團(tuán)隊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、氫燃料儲存等多個難題，讓世界首套的高壓儲氫火炬具有了優(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，作用主要是將氣瓶內(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。同時為配合“飛揚”充滿生機(jī)的流線外表以及飛揚的火焰外形，在有限的空間和重量要求下，還對控氫閥進(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)計出廠時經(jīng)過了氣密封試驗、壽命試驗、水壓試驗等等十七八種、上百次試驗。

　　火炬能在各種環(huán)境下燃燒，離不開燃燒器。設(shè)計燃燒器的時候，研制團(tuán)隊首先要滿足“飛揚”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，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，在給燃燒器建立火焰穩(wěn)定性的設(shè)計方法時，巧妙的利用飛揚的曲面，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，降低了外界環(huán)境對燃燒的影響。因為氫氣燃燒時火焰是無色，所以燃燒器的出口處也經(jīng)過了特殊設(shè)計。六院研制團(tuán)隊在出口處給燃燒器安裝了一件格柵，在這個格柵表面噴涂堿金屬，通過把溫度提高到650℃以上，實現(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)隊的創(chuàng)新打造，通過配方和涂裝方法可以實現(xiàn)不同顏色的火焰。

　　隨著研制團(tuán)隊對技術(shù)的不斷迭代優(yōu)化和多次嚴(yán)密的火炬測試，火炬經(jīng)過了嚴(yán)苛的考驗，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。本屆冬奧會的火炬通過火炬綜合環(huán)境模擬試驗平臺進(jìn)行了測試?；鹁嬖诘蜏?40℃的極寒環(huán)境、直面時速高達(dá)100km/h的十級狂風(fēng)、行進(jìn)中50mm/h的雨雪天氣等情況下經(jīng)受了測試。此外，火炬還從2米高的高度被丟向地面，并在陣風(fēng)時速超過65km/h的模擬環(huán)境中經(jīng)受了5000m以上的高海拔測試。為了完成這一系列的測試，研制團(tuán)隊進(jìn)行了300多次的可靠性試驗。

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

　　六院專家介紹，本屆冬奧會上的主火炬與以往歷屆主火炬在視覺效果上有很大差別，因為研制團(tuán)隊采用的是“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很大的不一樣：那就是最后一棒的火炬手并沒有去點火，而是直接把手持火炬插接在了主火炬身上，實現(xiàn)了火焰的無縫連接，沒有引燃的過程。這樣的點火方式是奧運會歷史上百年首創(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、每一個枝頭上都是采用全彩LED 直顯屏，每一個發(fā)光點的顏色、亮度都是可以獨立控制的，4.8mm的出光點實現(xiàn)了燈光圖案細(xì)膩的多彩變化。

　　要實現(xiàn)這么高的顏值，是需要過硬的技術(shù)支撐的。研制團(tuán)隊在設(shè)計的時候 “斤斤計較”，既要展現(xiàn)主火炬的輕盈，又要實現(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，實現(xiàn)了輕量化的要求。同時，為了達(dá)到8小時360度旋轉(zhuǎn)時高效穩(wěn)定的燃燒，采用了航天氫氧發(fā)動機(jī)的燃燒技術(shù)，有大國重器上的高端技術(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長方形的黑色盒子，這個黑盒子叫姿態(tài)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它吊掛在威亞小車上，由小車帶著它移動到中心位置，放下鋼絲繩和電纜與主火炬相連，通過先進(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)的作用是實現(xiàn)運動狀態(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，主要作用是實現(xiàn)氣體的穩(wěn)定供應(yīng)。

　　在設(shè)計這個黑盒子時，研制團(tuán)隊通過應(yīng)用氫氧發(fā)動機(jī)氫燃料加注及推進(jìn)技術(shù)，實現(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接裝置，實現(xiàn)氫、電、控制信號在特殊表演場景下的連續(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，還有一個國內(nèi)首創(chuàng)的高科技舞臺秀作品——地面裝置。隱藏在舞臺中的它，在需要的時候可以把主火炬翻轉(zhuǎn)45°，在翻轉(zhuǎn)過程中臺階踏步機(jī)構(gòu)橫空而起，將主火炬和地面連接起來。

　　研制團(tuán)隊充分發(fā)揮航天工程研發(fā)管理經(jīng)驗，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，通過全流程綜合試驗測試，解決了柔性環(huán)境條件下的運動控制、長周期穩(wěn)定燃燒、減穩(wěn)壓控制、安全應(yīng)用等難題，實現(xiàn)了主火炬復(fù)雜系統(tǒng)的安全可靠使用。

　　3、場外火炬：內(nèi)外雙轉(zhuǎn)臺相互支撐，完成各自獨立旋轉(zhuǎn)和同步旋轉(zhuǎn)

　　六院專家介紹，場外火炬是“三胞胎”，分布在各場館外。

　　觀眾看到的是飄帶和雪花，實際上在地面下還有一個隱藏的與場內(nèi)的主火炬完全不一樣的轉(zhuǎn)臺裝置，以帶動形成內(nèi)外不同的旋轉(zhuǎn)效果，呈現(xiàn)出視覺上的美感。

　　轉(zhuǎn)臺裝置最關(guān)鍵的兩部分是外轉(zhuǎn)臺和內(nèi)轉(zhuǎn)臺。場外火炬的飄帶是安裝在外轉(zhuǎn)臺上的，它會隨著外轉(zhuǎn)臺一起旋轉(zhuǎn);而場外火炬的主火炬雪花是安裝在內(nèi)轉(zhuǎn)臺上的，它隨著內(nèi)轉(zhuǎn)臺一起旋轉(zhuǎn)。這樣的雙轉(zhuǎn)臺通過一個中間構(gòu)件相互支撐完成各自的獨立旋轉(zhuǎn)和同步旋轉(zhuǎn)，這也是目前市場上的首例。

　　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)”的奧運精神的氫燃料火炬，在世界人民面前再一次展示了中國的科技實力，向世界廣泛傳播了綠色奧運、科技奧運的理念，翻開了體育史乃至科技史上的嶄新篇章。

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