“零碳”火炬“飛揚”雙奧之城

韓宗捷，中國航天科技集團有限公司高級工程師，國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”重點專項——冬奧會手持火炬關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)項目的主要研發(fā)人員。

作為北京2022年冬奧會手持火炬燃燒系統(tǒng)主要完成人之一，與團隊一起完成了世界首套高壓儲氫手持火炬燃燒系統(tǒng)的前期論證，并提出該火炬的總體參數(shù)。作為國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”重點專項——冬奧會手持火炬關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)項目的主要研發(fā)人員，組織科研團隊完成手持火炬原理樣機研制、工程樣機研制，并最終應(yīng)用于手持火炬的量產(chǎn)。

寒冬阻擋不了春天的腳步，黑夜遮蔽不住黎明的曙光，人類命運共同體的火炬終將照亮人類前行之路。

它乘“祥云”而來，點亮冰雪世界。當(dāng)?shù)貢r間2021年10月18日，在奧林匹克運動發(fā)祥地——希臘古奧林匹亞赫拉神廟遺址前，北京冬奧會火種采集成功。中國首位奪得冬奧會獎牌的男子運動員李家軍與希臘高山滑雪選手安東尼烏互擊手肘，兩支“飛揚”火炬凌空交匯，開啟奧運圣火在“雙奧之城”北京的冬奧之旅。

2022年2月2日至4日，中國北京、延慶、張家口三個賽區(qū)將開展火炬?zhèn)鬟f活動，1200名火炬手將手持“飛揚”傳遞圣火，冰火相約，溫暖世界。

在北方冬季寒冷的室外環(huán)境中順利傳遞火炬，確保火炬不熄滅，并不是一件容易的事。國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”重點專項——冬奧會手持火炬關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)項目的主要研發(fā)人員、中國航天科技集團有限公司高級工程師韓宗捷介紹了火炬在傳遞過程中穩(wěn)定燃燒的奧秘。

問：聽說“飛揚”火炬能扛風(fēng)雪，而且火焰穩(wěn)定、形態(tài)優(yōu)美，請問在北半球冬季這么寒冷的氣候條件下，是如何做到的？

韓宗捷：北京2022年冬奧會及冬殘奧會所采用的“飛揚”火炬外形分為兩個部分——銀白色部分叫作外飄帶，紅色部分叫作內(nèi)飄帶，從外飄帶和內(nèi)飄帶之間的縫隙中盤旋而上形成“飛揚”火炬的火焰。

“飛揚”火炬采用氫燃料，火炬內(nèi)置燃燒系統(tǒng)是一套氫燃料火炬燃燒系統(tǒng)。燃燒系統(tǒng)包含三部分：高壓儲氫容器、大減壓比供氫系統(tǒng)以及氫燃燒裝置。火焰有浮力作用，不會導(dǎo)致燙手。

我們接到手持火炬研制任務(wù)時，奧組委提出了很多條件，比如要具備耐零下40攝氏度的低溫、抗風(fēng)、抗雨雪等，其中抗低溫這個條件很具有挑戰(zhàn)性。

項目團隊在研制氫火炬時，最初有過兩種氫火炬方案：一種是高壓儲氫方案，另一種是合金儲氫方案。在綜合考量氫在低溫下釋放的穩(wěn)定性后，最終選擇了高壓儲氫方案。高壓儲氫方案，能夠很穩(wěn)定地在低溫下讓氫氣從儲氫容器里面釋放出來，這是火焰能夠穩(wěn)定燃燒的前提。

另外，就是在火焰燃燒穩(wěn)定性技術(shù)領(lǐng)域的長期積累。這種長期的技術(shù)積累，能讓團隊面對復(fù)雜曲面外形時，迅速找到火焰穩(wěn)定性方法。我們采用了一種鈍體穩(wěn)燃技術(shù)，在曲面里把火焰根部很好地保護起來，免受外界環(huán)境——風(fēng)、雪、雨的影響。設(shè)計出來之后，在燃燒穩(wěn)定性實驗臺里做了大量實驗，證明鈍體穩(wěn)燃技術(shù)具有很高的可靠性。

問：在光照較強的情況下，氫燃料火炬會讓火焰顏色透明，如何解決這個問題？

韓宗捷：氫在日光下燃燒時完全透明，沒有顏色。密度變化導(dǎo)致的折射，使人只能看到熱氣流。我們采用焰色反應(yīng)原理給氫火炬火焰上色。

抗風(fēng)測試

抗雨測試

外景測試

這里主要研制兩部分內(nèi)容。第一是焰色反應(yīng)配方，怎樣能讓它呈現(xiàn)黃顏色，讓火炬的火焰更接近于真實的火焰。第二就是我們研究的內(nèi)容，有一種簡便、簡易的焰色反應(yīng)劑加載方式，能讓它在工業(yè)化量產(chǎn)過程中不會過于復(fù)雜。

問：能否解釋一下什么是焰色反應(yīng)？氫燃料燃燒起來溫度一定非常高，為了防止它摸起來燙手，火炬外殼選用什么材質(zhì)？

韓宗捷：焰色反應(yīng)是能級躍遷導(dǎo)致的能量釋放，能量釋放會以光的形式釋放出來。釋放過程是物理過程，不產(chǎn)生新物質(zhì)。我們采用的焰色反應(yīng)劑是一種在自然界中常見的環(huán)保、無污染金屬鹽類，這是選擇焰色反應(yīng)原理的重要原因。

氫火炬燃燒時溫度很高，實驗室測到的最高溫度在650攝氏度左右。“飛揚”火炬在世界上首次采用碳纖維制造火炬外殼，碳纖維是一種新型材料，本身具有高耐溫性能，但它不能在空氣中耐高溫，在空氣中和高溫相遇時，碳纖維材料本身會燃燒。

為了解決這個問題，我們研制團隊首先把碳纖維陶瓷化，用陶瓷化工藝把碳纖維做成可以在空氣中耐高溫的結(jié)構(gòu)，讓碳纖維在火焰灼燒下穩(wěn)定存在。使用碳纖維之后的外殼，能夠保證手握位置不至于燙到火炬手。為了適應(yīng)“飛揚”火炬復(fù)雜的曲面外形，復(fù)合材料外殼團隊采用了三維立體編織技術(shù)和自動編織技術(shù)，能夠讓“飛揚”火炬的外殼具有很好的整體性。

問：火炬?zhèn)鬟f是每屆奧運會必備活動。咱們火炬?zhèn)€頭不大，在小空間內(nèi)如何保證燃料夠用呢？

韓宗捷：這個問題是研制中碰到的最棘手問題。氫燃料區(qū)別于丙烷和丁烷這類含碳燃料。氫氣的主要特點是密度低、分子量小，難以在小空間儲存。如果把它放到小空間儲存，必須給它高壓使其壓縮。我們在與外觀設(shè)計團隊相互探討時，在這個地方碰到的困難最大。

北京2022年冬奧會火炬“飛揚”

“飛揚”火炬是曲面造型，導(dǎo)致內(nèi)部空間極其狹窄。我們面對的第二個矛盾，是必須讓火炬有一定的工作時間完成火炬?zhèn)鬟f任務(wù)。多重矛盾之下，最主要的工作就是對內(nèi)置燃燒系統(tǒng)進行小型化、輕量化處理。在研制過程中，把整個燃燒系統(tǒng)外形、燃燒系統(tǒng)減壓閥、儲氫容器縮小了1/3。正是這1/3的尺寸，讓氫燃料、燃燒系統(tǒng)和外殼匹配在一起。

問：氫燃料易燃易爆，哪些技術(shù)保障火炬安全？

韓宗捷：安全性是非常嚴(yán)肅的問題。我們在研制過程中對火炬的安全性做了充分論證。氫火炬的安全性包括三方面：第一是儲氫容器的安全性。第二是氫氣的密封性能，因為大家都知道，氫氣是最容易泄漏的氣體。第三是火炬整體安全性。

具體來說，第一，從儲氫容器的安全性來講，我們編制了針對“飛揚”火炬儲氫容器的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這個企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通過了全國氣瓶標(biāo)準(zhǔn)化委員會審核，再通過這個標(biāo)準(zhǔn)對氣瓶的生產(chǎn)、制造、形式和儲藏做了非常嚴(yán)格的實驗。包含火燒實驗、跌落實驗、水壓打爆實驗、煙霧實驗、壓力循環(huán)實驗等非常苛刻的實驗，能夠證明氣瓶的安全性。

第二，從氫氣的密封性來講，氫氣是最難密封的介質(zhì)之一。我們通過對氫氣閥的控制，能夠把氫氣的密封性泄漏指標(biāo)控制在0.2毫克/小時以內(nèi)，這個泄漏量能夠保證火炬處在安全的范圍內(nèi)。

第三，就是火炬整體的安全性。在研究過程中進行整體燃燒測試，在火炬?zhèn)鬟f過程中不允許出現(xiàn)倒置，但是也要模擬這樣的狀況，通過倒置、大幅輪轉(zhuǎn)、跑動、震動，還有兩米高的跌落，去測試它的性能。在做跌落測試的時候，火炬是在燃燒過程中跌落。

問：“飛揚”火炬的設(shè)計符合綠色理念，也是對“雙碳”目標(biāo)的回應(yīng)，請您談一談綠色項目有哪些示范意義。

韓宗捷：“飛揚”火炬的成功研制，體現(xiàn)了國家對氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重視。這支特別的火炬，將成為我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的嶄新名片，將會引起更多人對氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)注。

“飛揚”火炬所包含的高壓儲氫技術(shù)、大比例氫減壓技術(shù)以及氫燃燒技術(shù)，完美地詮釋了綠色奧運、科技奧運的理念。碳纖維復(fù)合材料在“飛揚”火炬外殼中的應(yīng)用，實現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料在奧運火炬外殼中應(yīng)用的首創(chuàng)，展現(xiàn)了中國的高端制造能力。“飛揚”火炬，將會在奧運圣火傳遞這一備受世界矚目的活動中，向世界展示中國的實力和形象。

北京航天動力研究所及北京航天試驗技術(shù)研究所技術(shù)團隊兩位技術(shù)負(fù)責(zé)人討論燃燒器設(shè)計方法。